Сверхновая звезда

Материал из Альманах "Покорение смыслов"
Перейти к: навигация, поиск
Сверхновая в далёкой галактике. Рисунок с сайта: Современная Космология

Сверхновая звезда - состояние звезды, которая в течение короткого времени (исчисляемого днями) увеличила свою светимость в миллионы раз. На какое-то время светимость звезды может превзойти светимость всех звёзд галактики, где такая звезда наблюдается. По современным представлениям Сверхновая звезда - это грандиозный взрыв массивной звезды с последующим превращением её в нейтронную звезду или чёрную дыру. В результате такого взрыва большая часть её массы разлетается со скоростью около 10 000 км/с, а остаток сжимается (коллапсирует).

По наблюдаемым характеристикам сверхновые принято разделять на две большие группы - сверхновые 1-го и (I) 2-го типа (II). Вещество звезды, которая вспыхнула как Сверхновая типа I содержит очень мало водорода, и такая их характеристика как зависимость светимости от времени примерно одинакова для всех таких звёзд.

В спектрах сверхновых I-го типа нет линий водорода; кривая зависимости их блеска от времени примерно одинакова у всех звёзд, как и светимость в максимуме блеска. Сверхновые II-го типа, напротив, имеют богатый водородными линиями оптический спектр; формы их кривых блеска весьма разнообразны; блеск в максимуме сильно различается у разных сверхновых. Сверхновые типа II - очень разнообразные явления и сильно отличаются друг от друга по светимости и по характеру её изменения с течением времени.

В процессах наблюдений исследователями было замечено, что в эллиптических галактиках (т. е. сверических звёздных облаках - галактиках без спиральной структуры, в которых процесс звёздообразования идёт очень медленно и такие галактики состоят в основном из маломассивных красных звёзд) вспыхивают только сверхновые I-го типа. В спиральных же галактиках и галактиках неправильной формы, встречаются оба типа сверхновых. При этом представители II-го типа концентрируются к спиральным рукавам, где идёт активный процесс звездообразования и много массивных звёзд. Наблюдательные данные свидетельствуют о том, что природа таких объектов различна.

Содержание

[править] Сверхновые типа I

Падение вещ-ва звезды на Белый карлик. Рисунок с сайта: Современная Космология

Взрыв сверхновой типа I (более точно Ia) происходит в звёздах лишённых водорода. Из потенциальных кандидатов на роль таких звёзд могут претендовать белые карлики и звёзды типа Вольфа-Райе - ядра массивных звёзд, богатые гелием, углеродом и кислородом). Одиночный белый карлик взорваться принципиально не может, он состоит из вырожденного электронного газа, давление которого препятствует гравитационным силам сжатия. Никаких реакций с выделением энергии в нём не происходит. и, а силам гравитации противодействует давление плотного газа, состоящего из электронов и ионов (так называемый вырожденный электронный газ). Причина здесь та же, что и при коллапсе ядер массивных звёзд, - уменьшение упругости вещества звезды при повышении её плотности. Это опять-таки связано со "вдавливанием" электронов в протоны с образованием нейтронов, а также с некоторыми релятивистскими эффектами.

Если белый карлик входит в состав достаточно тесной двойной системы, то в процессе эволюции второй звезды она может сильно увеличь свои размеры и её вещество начнёт перетекать на белый карлик то под действием сил гравитации белого карлика. При этом масса и плотность его будут постепенно возрастать. В какой-то момент времени упругости вырожденного электронного газа будет недостаточно для обеспечения равновесия белого карлика, электроны начнут взаимодействовать с протонами с образованием нейтронов - это, в конечном итоге приводит к взрыву.

Другой из рассматриваемых возможных вариантов более экзотичен - это столкновение двух белых карликов. На самом деле вероятность встречи двух звёзд в галактике ничтожно мала, тем более она мала для белых карликов, размеры которых существенно меньше размеров даже самых маленьких звёзд. Однако, если два белых карлика опять-таки образуют двойную систему, то такой сценарий становится возможным. Как следует из общей теории относительности, любые два объекта, обращающиеся по орбите вокруг друг друга, постоянно излучают гравитационные волны, теряя тем самым энергию; расстояние между ними уменьшается и рано или поздно объекты должны столкнуться. Например, Земля и Солнце, столкнулись бы вследствие этого эффекта, правда через время, на много порядков превосходящее возраст Вселенной. Однако в случае тесных двойных систем с массами звёзд около солнечной их слияние должно произойти за время меньше возраста Вселенной - примерно за 10 млрд лет. Как показывают оценки, в типичной эллиптической галактике такие события случаются раз в несколько сотен лет. Гигантской энергии, освобождаемой при этом катастрофическом процессе, вполне достаточно для объяснения явления сверхновой I типа.

Равенство для всех звёзд нижней границы массы образования нейтронной звезды (предел Чандрасекара) делает вспышки белых карликов в тесных системах очень похожими друг на друга, следовательно, сверхновые I-го типа по своим характеристикам должны выглядеть одинаково вне зависимости от того, когда и в какой галактике произошла вспышка. Поэтому видимая яркость сверхновых отражает расстояния до галактик, в которых они наблюдаются. Свойство сверхновых I-типа быть "стандартными свечами" сыграло ключевую роль в важном открытии конца 90-х годов прошлого века, когда была найдена тёмную энергия[1], в данном случае они послужили своеобразными маяками, наряду с цефеидами.

Следует отметить, что не всегда явление Сверхновой I типа сопровождается образованием нейтронной звезды. В процессе вспышки, часть вещества может быть сброшена в пространство и предел Чандрасекара может быть не перейдён.

[править] Сверхновые типа II

Остаток взрыва Сверхновой. Рисунок с сайта: Современная Космология

При взрыве сверхновой звезды высвобождается огромное количество энергии - порядка 1043 - 1047 Дж. Основная энергия взрыва уносится не фотонами, а нейтрино - частицами с нулевой или чрезвычайно малой массой, которые крайне слабо взаимодействуют с веществом и сама по себе оболочка звезды для них практически прозрачна.

Законченной теории взрыва сверхновых с формированием компактного остатка и сбросом внешней оболочки пока не создано ввиду крайней сложности учёта всех протекающих при этом физических процессов. Однако практически все наблюдательные данные указывают на то, что сверхновые II-го типа вспыхивают в результате коллапса массивных звёзд или их ядер. На разных этапах жизни звезды в ядре происходили термоядерные реакции, при которых сначала водород превращался в гелий, затем гелий в берилий и углерод и так далее до образования элементов группы железа - железа, кобальта и никеля, поскольку атомные ядра этих элементов имеют максимальную энергию связи. Как только в ядре звезды образуется достаточное количество таких элементов и практически не остаётся ядер, чьё слияние ведёт к выделению энергии - центральные части звезды становятся неустойчивыми, ядро звезды начинает сжиматься. При больших плотностях (около 1000 кг/см3) протекают два процесса:

  1. фотодиссоциация - распад ядра железа на тринадцать ядер гелия (альфа-частиц) с выделением фотонов;
  2. нейтронизация вещества - взаимодействие протонов с электронами с образованием нейтронов и нейтрино.

Оба процесса снижают упрогость ядра звезды, которая создаёт давление препятствующее гравитационному сжатию, нейтронизация же позволяет образовавшимся нейтрино уносить основную энергию, высвобождающуюся при коллапсе ядра.

Рис. 2 Планетарная туманность М57 в созвездии Лиры. Рисунок с сайта: InFuture
Рис. 1 Остаток вспышки сверхновой N63A. Рисунок с сайта: Foto:HubbleTelescope

Сброс оболочки звезды объяснить труднее, поскольку теория процесса недостаточно проработана. Существенную роль тут могут играть всё те же нейтрино и жёсткие гамма-кванты, выделяющиеся в тепловом излучении чудовищно нагретого ядра звезды. С одной стороны, на небольшое время, гамма-кванты и даже невзаимодействующие нейтрино оказываются внутри ловушки, образованной внешними слоями звезды, с другой стороны, размеры этой ловушки продолжают уменьшаться за счёт инерционного падения оболочки на ядро, при этом растёт температура. Из-за того, что нейтрино не могут многократно переизлучаться между ядром и оболочкой в силу малого взаимодействия с веществом возникают неустойчивые конвективные движения газа релятивистских частиц. Давление этого газа передаёт свой импульс внешней оболочке - оболочка разлетается во все строны от ядра. Дополнительно за счёт волн сильного сжатия в оболочке звезды начинают идти поглощающие энергию ядерные реакции - образуются ядра самых различных атомов, пространство обогощается всеми элементами таблицы Менделеева. Поскольку образующиеся конвективные ячейки состоят из релятивистского газа, очень высока вероятность отклонений процесса от сферически симметричного. В какие-то стороны будут разлетаться большие массы, или же может появиться выделенное направление: в одну сторону улетит оболочка звезды, в другую - ядро. В силу сохранения импульса, ядро при взрыве получит достаточно большую скорость, что подтверждается наблюдениями. Молодые пульсары движутся в пространстве со скоростями около 103 км/сек. Также большинство туманностей, наблюдаемых в точках неба, где ранее была зафиксирована вспышка, имеют неправильную форму (см Рис. 1), в отличие от планетарных туманностей - остатков сферически симметричных взрывов Новых звёзд - типичная планетарная туманность представлена на Рис. 2. Наблюдения пульсаров, а также туманностей - остатков взрывов сверхновых звёзд подтверждают теоретические модели, более того, в 1987 году 23 февраля в 2:52 по всемирному времени советско-итальянской обсерваторией была зафиксирована мощная вспышка нейтринного излучения, а в скорости в ближайшей галактике Большое Магелланово Облако была наблюдаема сверхновая звезда (Сверхновая 1987А). Расстояние до этого звездного события около 150 тысяч световых лет[2].

[править] По материалам

И.С. Шкловский "Звезды: их рождение, жизнь и смерть." М.: Наука 1984 г.

Материалы школ имени академика М.В. Келдыша

[править] Примечания

  1. Riess A G et al. Astron. J 116 1009 (1998); Perlmutter S et al. Astrophys. J 517 565 (1999)
  2. Н. Н. Чугай Н.Н. "Сверхновая в Большом Магеллановом Облаке" журнал "Земля и Вселенная". М.: Наука, 1989. № 2 стр 22-30
Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструменты