Сергей Блинников: «Сверхновые — инструмент изучения Вселенной»

Сохранить в закладки
957
17
Сохранить в закладки

О сверхновых и звездах, которые скоро взорвутся

Еще в прошлом столетии ученые находили не более тридцати сверхновых за год. Сегодня, когда все карты звездного неба заложены в компьютерную память, а телескопы умеют немедленно сигнализировать о новом объекте, количество обнаруженных сверхновых увеличилось до сотни тысяч. Изучая их, физики больше узнают о механизмах термоядерного взрыва и накапливают знания о том, как устроена гравитация. Доктор физико-математических наук Сергей Блинников рассказал редактору ПостНауки Кристине Черновой о том, что такое сверхновые, почему они на самом деле старые, по какой причине наше Солнце не взрывается и чья сейчас очередь вспыхнуть.

Что такое сверхновые

— Какие звезды называются сверхновыми? Когда их стали изучать?

— В древности люди открывали вспышки звезд и называли их новыми — думали, что так зарождаются молодые звезды. Современная астрономия началась с Тихо Браге, который в 1572 году открыл знаменитую сверхновую в созвездии Кассиопеи[]Звезда появилась на небосклоне в начале ноября 1572 года. К 11 ноября она была уже ярче Юпитера. К 16 ноября ее видимая звездная величина достигла -4, почти как у Венеры. В XIX веке обнаружили новую звезду S Андромеды в нашей соседней галактике M 31. Уже в XX столетии астрофизики Вальтер Бааде и Фриц Цвики поняли, что у этой звезды энергия выделения гораздо больше, чем у обычных новых, которых открывают очень много.

Сам термин «сверхновые» появился после открытия нейтрона, когда Бааде и Цвики связали образование нейтронных звезд со вспышками сверхновых. Тогда их уже изучали систематически, хотя открывали мало — не больше трех десятков за год. В прошлом году, например, открыли уже порядка сотни тысяч сверхновых, и на самом деле в видимой нам части Вселенной каждую секунду происходит не меньше 60–80 вспышек сверхновых.

При вспышке новой на самом деле взрывается не молодая, а очень старая звезда, так называемый белый карлик. Во время этой вспышки она в течение недели светит примерно в 100 тысяч раз сильнее Солнца. А сверхновая обладает световой мощностью, которая примерно в миллиард или даже 10 миллиардов раз больше солнечной. Поэтому ученые пришли к выводу, что звезда, открытая Тихо Браге, — сверхновая.

Сверхновые тоже относительно старые звезды. Они уже заканчивают свой жизненный цикл: переходят или в нейтронную звезду, или в черную дыру, а некоторые взрываются без остатка. Например, ученые уверены, что на месте сверхновой Тихо Браге ничего не осталось. Таким образом, слово «сверхновая» обозначает сверхсильный, сверхмощный взрыв, а не то, что это «свежеиспеченная» звезда.

В Млечном Пути примерно 100 миллиардов звезд, большинство из них слабее нашего Солнца и относительно спокойно заканчивают жизнь. В год умирает примерно одна звезда, а где-то раз-два в столетие некоторые звезды взрываются. В нашей Галактике мы не видели взрывов со времен сверхновой Кеплера, открытой уже после сверхновой Тихо Браге. Это происходит потому, что мы живем на краю диска Галактики и не видим далеких звезд, зато наблюдаем с десяток взрывов сверхновых в некоторых соседних галактиках. Сопоставляя их размеры, свойства и массы с характеристиками звезд Млечного Пути, мы понимаем, что примерно одна из 100 или 50 звезд взрывается.

Как образуются сверхновые

— Какие звезды становятся сверхновыми, а какие нет?

— Есть два основных признака, что это произойдет. Если звезда одиночная, то главный признак — масса. Практически каждая звезда с массой, превышающей солнечную в 10–15 раз, неизбежно потеряет устойчивость и взорвется как сверхновая. Однако сверхмассивная звезда может перейти с относительно слабой вспышкой в черную дыру.

Второй признак — двойственность звезды. Если белый карлик, маленький по размеру, но не очень маленький по массе — ведь чем он массивнее, тем меньше его размер, — оказывается в паре со звездой даже слабее нашего Солнца или с другим белым карликом, то они неизбежно сольются и дадут мощный термоядерный взрыв.

Сверхновые делятся по физике взрыва на два вида: коллапсирующие сверхновые, которые, помимо света, дают гораздо более мощный поток нейтрино, и те, что дают термоядерные взрывы. Знаменитые сверхновые Тихо Браге и Кеплера — термоядерные. Мы знаем это по спектру, который японские и немецкие ученые смогли получить спустя 400 с лишним лет после взрыва сверхновой Тихо Браге. Они проанализировали вспышку от сверхновой, которая осветила некоторую пылевую туманность, рассеявшую этот свет, и обнаружили четкий спектр термоядерной сверхновой.

Как взрываются сверхновые — и почему не взрывается Солнце

— Каков механизм вспышки сверхновой? Что происходит со звездой?

— Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала понять, почему обычная звезда вроде нашего Солнца не взрывается. Из геологии и палеонтологии мы знаем, что были эпохи потепления, похолодания, оледенения, но в среднем солнечная светимость в последние несколько миллиардов лет оставалась одной и той же. Хромосферные вспышки, происходящие на нем, — ничтожная энергия по сравнению со взрывом сверхновой, во время которого выделяется столько энергии, сколько Солнце набирает всю свою жизнь.

Большая часть звезд находится в состоянии устойчивого термоядерного горения. Внутри каждой из них протекает термоядерная реакция, и чем выше температура, тем выше скорость реакции. Казалось бы, если, допустим, комета попадает внутрь Солнца, температура немного повышается, термоядерные реакции должны резко усилиться, должен произойти взрыв. Но ничего подобного не происходит, потому что, помимо тепловой энергии внутри звезды, в ее гравитационном поле находится вещество. Выделяется энергия, вещество начинает подниматься, а подъем вверх любого газа приводит к его охлаждению. В нормальных звездах, где есть идеальная плазма, которая ведет себя как наш воздух, энергия тратится не только на повышение температуры, но и на подъем и расширение, из-за которых температура снижается.

Чтобы звезды стали взрываться, их надо вывести из состояния теплового равновесия. Это возможно в белых карликах, равновесие которых описывается уже не идеальной плазмой, а так называемым вырожденным электронным газом и не зависит от температуры. Если что-то возмутит эту звезду — например, два белых карлика сольются или с соседа упадет много вещества, — то у белого карлика не сработает стабилизация, как на нашем Солнце. 

Когда белый карлик начинает гореть, то все взрывается — конечно, при условии, что осталось термоядерное горючее: ведь если бы белый карлик весь перешел в железное состояние, то гореть было бы просто нечему, а взрыва не было бы. Но обычно в этих звездах кислород и углерод содержатся примерно в равных количествах. И они вспыхивают.

А вот массивные звезды не загораются так просто. Они состоят из классической идеальной плазмы, но могут в центре образовывать нейтронную звезду и коллапсировать на нее. При этом выделяется огромная потенциальная гравитационная энергия, гораздо больше, чем при любом термоядерном горении. И звезда должна бы сбросить оболочку, но она сбрасывается гораздо меньшей энергией, чем выделяется, — оставшаяся энергия уходит в нейтрино, примерно один процент которых может застрять внутри этой коллапсирующей звезды, нагреть ее внешние слои и привести к взрыву.

Кто взорвется следующим

— Одна из самых известных и ярких звезд ночного неба — Бетельгейзе в созвездии Ориона — находится на одной из последних стадий эволюции. Возможно, она скоро взорвется?

— Бетельгейзе — огромная звезда, находящаяся от нас на расстоянии примерно в 130 парсек, то есть около 400 световых лет. Она хорошо видна зимой в ясную ночь. Ее радиус в тысячи раз больше радиуса Солнца, а масса больше солнечной примерно в 15 раз. Бетельгейзе по описанию хорошо подходит под взрывающиеся звезды. Если бы она была молодой, ее радиус был бы меньше, а в центре еще горел бы водород. Но когда звезда раздулась до огромного радиуса, это значит, что первые стадии горения водорода и гелия уже прошли. Скорее всего, там уже горят углерод и кислород, а на последних этапах будут полыхать сера и кремний. И когда это произойдет, ей останется всего неделя. Она не очень поменяется внешне, но будет излучать нейтрино: от невероятно высокой температуры в огромном количестве будет рождаться антивещество.

Бетельгейзе действительно одна из немногих звезд, которая может взорваться в ближайшее время. Сегодня или завтра этого точно не произойдет. Но через неделю — уже не исключено. За сутки-двое до взрыва поступит ясный сигнал: не просто превышение фона, а яркое пятно в направлении Бетельгейзе. Все обсерватории будут предупреждены и наведут на нее свои телескопы.

— Есть ли другие звезды, которые скоро превратятся в сверхновые? Можно ли увидеть какие-то из них невооруженным глазом?

— В Южном полушарии есть созвездие Киль, в нем есть звезда Эта (η) Киля, которая сильно меняла свою яркость. Она очень массивная: если масса Бетельгейзе всего в 15 раз больше массы Солнца, то масса Эты Киля больше солнечной в 100 раз. И она активно извергает из себя вещество, а это предвестник взрыва сверхновой. Скорее всего, на ней тоже произойдет термоядерная вспышка, но может быть и коллапс, образование гамма-всплеска и черной дыры. Когда масса звезды настолько огромная, образование черной дыры просто неизбежно. Но в процессе эта звезда может дать мощную вспышку сверхновой, так называемую сверхмощную сверхновую. Эта вспышка может быть в 100 раз мощнее, чем у Бетельгейзе, и света даст больше, чем полная Луна, — можно будет читать книги.

— Вспышка сверхновой — это огромный выброс радиации. Влияет ли это как-то на жизнь на Земле?

— По правилам МЧС, если вы видите на радиометре значение, в 10 раз больше стандартного, надо бежать. Но в самолете на высоте 10 километров фон выше иногда в 20–50 раз, особенно если вы приближаетесь к магнитным полюсам где-нибудь над Канадой. Этот фон создается космическими лучами, и практически все они рождаются в сверхновых. Там же появились и все радиоактивные элементы. Более того, даже у нас в крови есть гемоглобин, который содержит атомы железа, состоящего из разных изотопов. В последние годы ученые поняли, что в космических лучах изотопный состав ядер железа такой же, как в нашей крови. В этом единство. Мы дети этого небесного потока.

Как искать и наблюдать сверхновые

— Как ищут сверхновые?

— Когда я учился на астрономическом отделении, мы сравнивали пластинки с изображением части неба. Для этого у нас был блинк-компаратор[]Прибор для поиска на снимках звездного неба изменяющихся объектов. Два кадра, снятые на одном участке неба в разное время, рассматриваются через один окуляр. Специальная заслонка — блинк — позволяет видеть то один, то другой кадр и замечать различия. Если вдруг на фоне тысяч звезд нашей и других далеких галактик мы замечали какое-то мерцание, то это и были сверхновые.

Сейчас все карты неба заложены в общедоступную компьютерную память. Наш астрофизик, профессор МГУ Владимир Михайлович Липунов создал одну из лучших в мире роботизированных систем для поиска сверхновых — «МАСТЕР». В рамках этой системы телескоп наводится с некоторыми промежутками на одну и ту же область неба. Если вдруг он видит там вспышку, то тут же выдает сигнал с информацией о новом объекте: астероиде, комете, новой звезде, сверхновой или гамма-всплеске

Несмотря на все это, некоторые любители астрономии до сих пор открывают сверхновые, полагаясь на собственное зрение и память.

— Какие сегодня существуют наземные и космические телескопы для наблюдения за сверхновыми?

— Есть «Хаббл». Существует макет Большого синоптического обзорного телескопа (LSST), который достроят через три-четыре года. Это будет быстровращающийся 8-метровый телескоп. Основной телескоп японских ученых, «Субару», тоже 8-метровый, с уникальной камерой, но он медленно поворачивается. А LSST будет открывать миллионы сверхновых в год. За трое суток он будет осматривать и фотографировать все небо, видное с гор в Чили, где его установят, и автоматически выявлять все вспышки и другие интересные явления. С помощью этого телескопа получится быстро выявлять интересные объекты, в том числе сверхновые, но не очень далекие, потому что LSST не будет рассчитан на снятие спектров.

Напротив, именно с этим все хорошо у 40-метрового ELT (Extremely Large Telescope), который строят астрономы из Европейской южной обсерватории. У него будет огромное зеркало, составленное из нескольких частей. Оно не дало бы возможности получить хорошо сфокусированный свет из-за мерцания звезд, турбулентности в атмосфере, однако это зеркало с адаптивной оптикой: оно будет изгибаться, чтобы подогнать картинку под правильное изображение. А правильное изображение ученые смогут получить с помощью лазерных лучей, дающих специальные крестовые или звездообразные идеальные изображения, в соответствии с которыми суперкомпьютер, приставленный к телескопу, будет успевать изгибать зеркала.

— Что дает ученым информация о новых взрывах и образовании сверхновых?

— Сверхновые служат инструментом для изучения Вселенной. Астрономы открыли по сверхновым темную энергию и ускоренное расширение Вселенной. В связи со сверхновыми исследуется механизм термоядерного взрыва (дозвуковое горение, сверхзвуковое горение, детонация и так далее), влияние на него магнитных полей и другие темы и расчеты, развитие которых связано с прикладной физикой. 

С другой стороны, изучение коллапсирующих сверхновых, образования черных дыр важно и для фундаментальной физики. Мы же не уверены, что гравитация точно такая, какую предсказал Эйнштейн. Есть сотни других теорий.

task-image
Существует метод, который позволяет установить, как долго длилась эпоха звездообразования в галактике. На чем он основан?
На сравнении содержания химических элементов в атмосферах звезд
На измерении расстояний между звездами
На подсчете количества взрывов сверхновых за единицу времени
На сравнении видимой яркости звезд
mistake
Увы, вы ошиблись...
Узнать больше

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration