Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Катастрофические взрывы во Вселенной: сверхновые звезды

Катастрофические взрывы во Вселенной: сверхновые звезды

Лекторий «Знание-сила» 28 февраля 2013 г.

 

Стенограмма выступления.

Николай Чугай

Лекцию читал Николай Чугай, д.ф.-м.н.,зав. отделом нестационарных звезд и звездной спектроскопии Института астрономии РАН

Катастрофические взрывы. Это не то, что должно пугать, что враждебно нам. Просто здесь катастрофические от катастрофы – в старом греческом понимании, переворот. Это революционные взрывы, которые меняют картину мира.

Я начну с рассказа о так называемом Большом взрыве. Это, конечно, метафора, но метафора достаточно точная, которая отражает тот факт, что наша Вселенная возникла из очень горячего плотного состояния и, расширяясь, пришла к современному состоянию. И скажу о том, что без сверхновых эта Вселенная была бы мрачной и унылой, потому что в ней ничего бы не было. Ни галактик, ни планет, ни нас.

Итак, расширяющаяся Вселенная. Биг-Бенг. Большой взрыв. Всё началось с того, что Хаббл установил следующую наблюдательную закономерность. Скорости галактик относительно нас измеряют по допплер-эффекту: если галактика движется к нам, её свет смещается в синюю сторону, если от нас, то в красную. В спектре существуют резкие детали, которые называются спектральными линиями. В большинстве случаев линии поглощения, но иногда и линии излучения, если галактика эмиссионная. По этим спектральным линиям удаётся легко установить скорость движения галактики относительно нас. По разным признакам можно измерить и расстояние. Например, наблюдаются цефеиды. Это переменные звёзды, которые дают хорошую калибровку расстояния, потому что их период связан со светимостью.

Поэтому, наблюдая просто временную шкалу изменения блеска этих звёзд, мы хорошо можем определять расстояние до тех галактик, где эти цефеиды находятся. И таким образом Хабблу удалось установить следующий наблюдательный факт. Чем дальше галактика от нас, тем её скорость убегания больше. То есть все галактики убегают от нас, кроме, конечно, самых ближайших, где хаотические скорости накладываются на регулярные скорости убегания и дают несколько такую противоречивую картину. Поэтому, скажем, наблюдая в те времена, вообще говоря, трудно было установить такую закономерность. Но ему удалось. И вот здесь красный квадратик в левом нижнем углу графика показывает вам, собственно, на основании чего Хаббл установил эту закономерность. А вся эта зависимость, которая здесь показана, она уже получена в наше время.

Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, так называемая, постоянная Хаббла, даёт вам возможность просто оценить  возраст. То есть зная, как галактики разбегаются друг от друга, на какое расстояние они ушли, можно определить время, когда началось разбегание. Если, например, на шоссе видите автомобили, которые вышли из одной точки одновременно, и вы знаете и скорость, то по расстоянию между автомобилями вы можете определить время, когда это произошло, если знаете их скорости. Вот так же примерно была измерена постоянная Хаббла и возраст Вселенной. Но, к слову сказать, вообще говоря, Хаббл оценил совершенно другие масштабы времён, потому что эта зависимость была известна с очень большой неточностью в то время.

То, что я показываю, это современная оценки постоянной Хаббла и современные оценки возраста. Эта постоянная Хаббла даёт немножко нестандартную величину. Сейчас принято 13,7 миллиардов лет для начала расширения. Сразу же после работы Хаббла, в 30-е годы ХХ века возникло понимание, что раз Вселенная расширяется, то она когда-то была в плотном компактном состоянии. И возникло, естественно, предположение о том, что это начальное состояние могло быть очень горячим, поскольку, как-то это ассоциировалось, действительно, с взрывом. Такой эффект взрыва мог, естественно, привести к выделению огромного количества энергии и к высокой температуре – можно было предполагать, что она очень высокая.

Но эта концепция расширяющейся Вселенной, была несколько нестандартной для понимания, вообще, и уровня понимания того времени. Вспомним, что Эйнштейн стремился сделать Вселенную стационарной и для этого он ввёл, так называемыйлямбда-член, который делал Вселенную статичной. И поэтому идея стационарной статичной Вселенной, существовала наравне с расширяющейся Вселенной даже в то время, когда доводов в пользу расширения становилось всё больше и больше, аргументы становились весомее. Тем не менее, Хойл, знаменитый английский астрофизик, придерживался концепции стационарной Вселенной. А Гамов на основании того, что он воспринял идею расширения Вселенной, предложил, в конце концов, стройную концепцию горячей Вселенной, о которой я скажу чуть ниже.

Вот, существовали две такие точки зрения. Но самое любопытное состоит в том, что Хойл в уничижительном плане ввёл для расширяющейся Вселенной такую метафору: Биг-Бенг, то есть Большой «бабах» в буквальном русском переводе. Но эта метафора оказалась столь удачной и хорошо выражающей смысл того, что происходило в далёкие времена с Вселенной, что она  закрепилась за названием этой теории. Я сейчас не говорю о том, что было в самом начале. Это сейчас довольно острая проблема, которую изучают теоретики во всём мире. Так инфляционная теория, инфляционная фаза Вселенной, это как рас вопросы начала. Мы не будем подробно говорить об этом, но кое-что стоит сказать.

Закон расширения Хаббла не даёт ответа на вопрос, почему Вселенная однородна и изотропна, т.е., повсюду в среднем одинакова. При такой кинематике разлёта всегда существуют точки, которые с друг другом не взаимодействуют. В частности, противоположные точки далёкой Вселенной в одну и другую сторону, удаляются друг от друга со сверхсветовой скоростью и, следовательно, не могут знать друг о друге, ибо сигналы не могут распространяться со скоростью больше скорости света. Раз они не знают друг о друге, то из общих принципов следует, что Вселенная не должна быть одинаковой во всех направлениях. А наблюдения показывают как раз то, что она изотропна и однородна. Поэтому, в 80-е годы пришли к представлению о существовании короткой начальной стадии медленного постепенно ускоряющегося расширения. Взаимодействие между веществом Вселенной на этой стадии успевало произойти и способствовать выравниванию плотности во всех её частях. В этом роль инфляционной стадии. Но во времена Гамова над проблемой самого начала расширения не задумывались. Речь шла о более поздней стадии расширения.

Гамов построил стройную теорию расширяющейся Вселенной, исходя всего лишь из представления, что Вселенная в начале расширялась, была очень горячей – миллиарды градусов – и состояла из протонов и нейтронов. Это элементарные частицы, которые были известны в то время, и было известно, что ядра атомов состоят из них. Разумеется были и электроны, конечно, причем в количестве равном числу протонов. Так что суммарный заряд равен нулю.Гамов спросил себя: какие нужны условия для того, чтобы при расширении Вселенной обеспечить нынешний состав вещества, а именно отношение гелия к водороду. Образование гелия происходил за счёт соединения протонов и нейтронов. Ну, шли и обратные процессы, за счёт того, что Вселенная была горячая, и эти ядра гелия распадались при высокой температуре. Но в расширяющейся Вселенной есть такое свойство, что на каком-то этапе прямые и обратные реакции не уравновешивают друг друга. И, таким образом, на некоторой фазе расширения запоминается то состояние, которое было в то время, когда эти процессы друг друга компенсировали. И, оказывается, в общем, получается довольно стройная картина, из которой следует, что гелия в такой расширяющейся Вселенной должно быть около 25%, что и наблюдается. Дальше надо было сделать один шаг, чтобы найти фундаментально подтверждение этой теории. Гамов в 1953-м году понял, что Вселенная расширялась адиабатически. Что значит, адиабатически? Это значит, без притока тепла и без ухода тепла.

А расширяясь адиабатически, Вселенная остывала, и могла остыть до современного состояния, до нескольких градусов. Чтобы понять, как это происходит, представьте себе воздушный шарик. Если надутый шарик каким-то образом у вас лопается, и вы возьмёте сразу же остатки того шарика, вы почувствуете, что эти ошмётки холодные. А холодные они из-за того, что происходит резкое расширение, и газ охлаждается. То же самое происходит с баллончиком спрея. Когда вы долго нажимаете на спрей, вы почувствуете, как баллончик холодеет в руке. Это тоже следствие расширение газа. Оно вызывает охлаждение.

И так же Вселенная. Расширение приводило к тому, что тепло, которое в ней находилось в форме излучения, сначала с температурой миллиарды градусов, потом с температурой тысяча градусов, остыло к нашему времени до 3-х градусов Кельвина.  Дорошкевич, и Новиков, наши астрофизики, в 1964-м году предположили, что можно это излучение увидеть в сантиметровом радиодиапазоне. Его увидели американские учёные Пензиас и Вилсон о чём поведали миру в 1965 году. Спектр этого излучения, то есть зависимость интенсивности его от длины волны, показан здесь. Это длина волны в сантиметрах. Есть здесь миллиметры, вот, 0,1 сантиметр, а один – это сантиметр. Значит, где-то в районе нескольких миллиметров максимум это излучение. И форма этого спектра абсолютно планковская. То есть она напоминает ту форму спектра, которую бы вы измерили в закрытой печи.

Если у вас печь какая-то, допустим, уголь горит или дрова, закроете всё и измеряете как интенсивность света зависит от длины волны. Вы получите, такой же спектр, но с температурой, допустим, тысяча градусов. Ну, а здесь три градуса, два и семь десятых градуса, если быть точным. И это было блестящим подтверждением, потому что это укладывалось в стандартную картину расширяющейся Вселенной, которую теоретики построили для объяснения современного содержания гелия. Вот как выглядит схематическая картинка эволюции Вселенной. Вначале было нечто, что привело к выделению огромной энергии, ускорению, – инфляционная фаза.

В общем, вы видите самое начало, которое окрашено жёлтым, жёлтым цветом однородное, горячая расширяющаяся Вселенная. Потом она охлаждается, цвет меняется. Это всё показано схематически. И, наконец, она становится прозрачной для излучения. Излучение и вещество, как говорят, расцепляются. Вещество ведёт себя по-своему, излучение по-своему. Излучение, фактически, пронизывает, оно не взаимодействует с веществом на поздней стадии. Из мельчайших неоднородностей плотности начинают под действием гравитационных сил образовываться огромные комки вещества, которые превращаются затем в галактики. И дальше, наконец, приходим к Вселенной, которую мы видим сейчас.

Но проблема в том, что если бы не было звёзд и не было сверхновых звёзд, то состав Вселенной был бы крайне примитивным, поскольку до образования звёзд, вспышек сверхновых она состояла всего лишь из водорода и гелия. 75% водорода и 25% гелия. И лишь небольшое количество, одна миллиардная часть, лития и бериллия. Но мы знаем сейчас по повседневному опыту, что существуем мы, существует мир, в котором мы живём. Мир, который состоит из огромного количества химических элементов, таких, как углерод, кислород, азот, железо, цинк и т.д., и т.д. Золото, платина.

Вот здесь зелёными кружками показано то, из чего состояла Вселенная в самом начале. А по вертикальной оси отложено содержание этих элементов. То есть самые обильные элементы водород и гелий, они в самом верху этой картинки. Литий, бор и бериллий в самом низу, их мало было. А всё остальное где-то в промежуточном интервале: углерод, кислород, азот – самые обильные в настоящее время элементы. Дальше идут промежуточные элементы: кремний, сера и т.д., кальций. Есть, так называемый, железный пик. Вот он выделяется здесь. Вместе с железом, указанным здесь наверху. И чем дальше в сторону больших атомных чисел, то есть элементов с большим количеством протонов в нейтронном ядре, тем содержание элементов всё менее и менее обильно.

И вот возникает вопрос: как же всё это возникло? Это многообразие элементов, из которого, собственно, и создан, окружающий нас, мир. Ответ, был дан Хойлом в 1946-м году в , а более развёрнутая работа вместе с Фаулером появилась в 1960-м году. Смысл этого ответа состоял в том, что синтез химических элементов, их образование происходит в звёздах и при взрывах сверхновых звёзд. К тому времени уже стало понятно физическое содержание, смысл того, что люди наблюдали как яркие вспышки в других галактиках. Это вспышки в начале 30-х выделили в отдельный класс явлений, назвав их сверхновыми звёздами.

Первая внегалактическая сверхновая, то есть сверхновая в другой галактике, наблюдалась в галактике Андромеды в 19-м веке, в 1885-м году. Открыл её Хартвиг, немецкий, астроном который работал в Российской империи в Дерптской обсерватории. Она сейчас названа «Сверхновая 1885-го года «А». Букву ставят к году для того, чтобы различать сверхновые, вспыхнувшие в данном году. Но в то время обнаруживали очень мало сверхновых. Это единственная за 5 лет. И, к сожалению, в то время, хотя уже существовала астрофотография и получали снимки галактик на фото, тем не менее, эта сверхновая избежала такую регистрацию. То есть я не нашёл ни одной фотографии этой сверхновой. По-видимому, их и не было.

Справа я показываю картинку, которая демонстрирует вам современный взгляд на то место, где вспыхнула сверхновая. Вот на правой картинке показано ядро галактики М-31 в созвездии Андромеды. Это знаменитая туманность Андромеды. А рядом с ядром галактики таким расплывчатым и ярким, вы видите на верхнем снимке тёмное пятнышко. Видите, да? Тёмное пятнышко. Это то место, где вспыхнула эта сверхновая в 1885-м году. Очень талантливые наблюдатели Роберт Фейзен и Эндрю Гамильтон получили это изображение. Я с обоими знаком, очаровательные люди и большие умницы. Они придумали очень простой способ увидеть этот остаток сверхновой. Она уже расширилась настолько, что её можно видеть. Но для того, чтобы увидеть это, надо было додуматься до того, чтобы представить, что вещество сверхновой может поглощать излучение, идущее от фона звёзд самой галактики Андромеды.

То есть на фоне звёзд, которые здесь часты, практически как непрерывный фон они видят, этот шарик в поглощении линий ионизованного кальция, линия которого образуется в самом веществе этой расширяющейся сверхновой. Для иллюстрации того, что это поглощение именно в кальции, внизу показан снимок той же самой области, но сделанный уже в другом участке спектра, где этой линии нет. И, таким образом, мы не видим никакого поглощения в континууме, в непрерывном спектре, а вот в частотах линий мы видим очень явное поглощение этого вещества, которое позволяет нам не только увидеть сам остаток сверхновой, но измерить скорости. Потому что по ширине этой линии можно установить скорость расширения. Она оказалась где-то в районе пяти тысяч километров в секунду. Просто изящная работа, изумительная.

А вот фотография, уже полученная на камере с ПЗС матрицей, обычным телескопом с обычным детектором в наше время. Вот такая типичная картинка, когда вы видите сверхновую в другой галактике. Вот эта галактикас ярким ядром, с пылевым окаймлением, которое поглощает свет звёзд. А где-то чуть поодаль видна яркая звёздочка. Это сверхновая. На фотографии. Как их обычно обнаруживают? Делают фотографию галактики. В один день там ничего не было, а, скажем, через неделю делают снимок и видят, что там яркий объект, яркая звёздочка. Они сравнивают эти фотографии, накладывают друг на друга. Сейчас это делается автоматически даже. Потому что камера с ПЗС матрицей позволяет это делать; в общем, это цифра, а цифра быстро обрабатывается компьютером и автоматом. Робот компьютерный сам это находит и оповещает наблюдателя, что что-то есть. Тот смотрит – да, действительно, сверхновая.

А огромнейший вклад в понимание того, что сверхновая – это нечто необычное и, более того, внятную физическую, в общем, модель этого явления дали два американских астронома, Цвикки и Бааде.Более того, они предположили, что сверхновая звезда знаменует собой взрыв, связанный с гравитационным коллапсом ядра звезды в нейтронную звезду. Нейтронная звезда – это сверхплотное состояние вещества, которое состоит, в основном, из нейтронов, и она образуется, как думают, из ядра звезды, которая пришла к концу своей жизни. На некоторой фазе она становится неустойчивой и обрушивается на центр, давление не удерживает уже гравитацию. Ядро обрушивается на центр и формирует нейтронную звезду.

Это картина верна, но отчасти, потому что есть и другие сверхновые, не связанные с гравитационным коллапсом ядра, когда ядро обрушивается на центр – это называется коллапс, потому что происходит за весьма короткий промежуток времени. Еще существуют так называемые термоядерные сверхновые, в которых обычная термоядерная реакция происходит в режиме взрыва. По счастливой случайности в нашей галактике в историческое время, в последнее тысячелетие наблюдали три таких сверхновых. В 1006-м году арабы наблюдали и очень хорошо описали это явление. И наблюдали монахи в Швейцарии, в монастыре Сент-Гален и оставили запись об этом в хрониках 1006-го года. Сверхновая 1572-го года. Тихо Браге провёл блестящие наблюдения, сравнивая свет этой новой звезды. Вот здесь показана картинка того, как это происходило.

Появилась на небе яркая звезда, которая меняла свой блеск. Она разгоралась сначала, потом достигла максимума и стала гаснуть. Но это происходило в течение нескольких месяцев. И благодаря тому, что Тихо Браге был достаточно квалифицированный астроном, он сумел оценить блеск этой звезды на самых ранних стадиях, начиная от возгорания, максимума и кончая тем, когда звезда стала полностью невидимой. И благодаря этой кривой блеск, кривой свечения, удалось понять, что это была сверхновая, так называемая, сверхновая первого типа. Это то, что более правильно называть термоядерными сверхновыми. Потому что, как я скажу ниже, взрыв их обусловлен термоядерным взрывом.

Остаток этой сверхновой, сверхновой Тихо Браге 1572-го года, мы видим сейчас на этом месте, где она вспыхнула. Вот так эта сверхновая видна в рентгене. Благодаря высоким скоростям разлёта она расширилась уже до огромных размеров, и вот рентгеновские наблюдения на спутнике «Чандра», с хорошим разрешением, таким как в оптике, позволили увидеть совершенно удивительную картину. Конечно, цвета все искусственные. Это то, что называется, визуализация. В рентгеновском излучении, конечно, этого мы так не видим. Это просто делается: в каждой точке считаются фотоны, которые приходят от этой оболочки, а потом это переносится на картинку с введением искусственных цветов. Внешний край такой голубой – это ударная волна. Межзвёздная среда, в которой расширяется остаток сверхновой, не является вакуумом, хотя она, конечно, разрежена.

В одном кубическом сантиметре, ну, примерно с ноготок большого пальца, можно найти только четверть атома, грубо говоря. То есть нужно 4 таких ноготка, 4 кубических сантиметра, чтобы увидеть один атом. Вот такая разреженная среда и, тем не менее, эта среда достаточно плотная, чтобы образовалась ударная волна. И расширение со скоростью, в данном случае 5000 км/с даёт температуры совершенно сумасшедшие. Десятки миллионов градусов, сотни миллионов градусов на ударной волне. Этот газ светится в рентгеновском диапазоне. То есть это те же самые лучи, которыми нас просвечивают на флюорографии.

И вот такая лохматая структура, если вас интересует этот вопрос, отчего она, почему она похожа на Маппет-шоу. Эта лохматая структура образуется из-за того, что вещество тормозится, собственно, процесс расширения сопровождается торможением, потому что сверхновая наталкивается на окружающий газ и она постепенно тормозится. Представьте себе, что вы едете в машине, и начинается резкое торможение. Вы куда наклоняетесь? Вперёд. И то же самое происходит с газом сверхновой, который прошёл ударную волну. Он стремится выскочить. И благодаря этому образуются такие волокна, «пальцы». А потом они закручиваются в такие волокна из-за взаимодействия с окружающим газом.

Ударные волны – это не нечто такое необыкновенное. Они встречаются в нашей жизни повсеместно. Вот вам пример. Чтобы увидеть ударную волну, правда, нужна очень искусная фотография. Это, так называемая, шлирен-фотография. Она использует некое специальное освещение, чтобы увидеть тень, которая порождается уплотнениями воздуха. Вот вы наверное представляете картину, когда над газовой плитой, на закате солнца, вы видите на кафельной стенке, как мерцает что-то такое, тени какие-то ходят? Это примерно то же самое. Просто когда от газовой горелки поднимается неоднородный воздух свет от солнца, преломляясь неоднородным образом, образует тени. Я такое иногда наблюдаю у себя на кухне на закате.

И здесь то же самое. Бросаем книжку на стол, она шлёпается и образуется ударная волна. Правда, она движется со скоростью, почти равной скорости звука, ну, там очень малое отличие. Но, тем не менее, это уплотнение, которое связано с таким щелчком. Вот что такое ударная волна. Ударная волна в этом остатке сверхновой Тихо Браге, она видна и в радио, не только в рентгеновском диапазоне. В оптике она, кстати, плохо видна, но видна в рентгеновском и радиодиапазонах. В радиодиапазоне просто замечательно видна. Вот это радиокарта тоже со сложными цветами, с визуализацией, естественно, в радио вы такого, таких красивых цветов не увидите. Но эти цвета подчёркивают просто интенсивность. В одном месте радиоизлучение яркое, в другом месте его почти нет. Вот тёмное пятно в центре это значит, радио плохо просматривается.

Откуда это радио? Радио связано с очень интересным механизмом излучения.Это электроны, движущиеся со скоростью света, которые ускорены в ударной волне. Оказывается, ударная волна при взаимодействии с расширяющимся, с окружающим межзвёздным газом вызывает ускорение частиц, которые были нагреты в ударной волне. Эти частицы горячие, они выходят за пределы ударной волны и стремятся выскочить, но возмущение их отражают от неподвижного вещества, и они снова возвращаются к ударной волне. Но ударная волна движется с гигантской скоростью, подталкивает их. Вот этот процесс, который ведёт к ускорению. Представьте, что две ракетки стукают теннисный мяч друг о друга. Если, такой процесс продолжается долго, то мячик приобретает колоссальную скорость, что вы не успеваете реагировать. Так же происходит ускорение частиц.

Таким образом, была подтверждена идея, которую выдвинули ещё Цвикки и Бааде, фотографии которых я показывал вам раньше. Кто, собственно, и понял явление сверхновых. Идея заключалась в том, что сверхновые являются источником космических лучей. Тогда уже были открыты космические лучи, и вопрос об их происхождении был актуальным. Они, собственно, предложили очень правильное решение, которое оказалось справедливым, и мы видим подтверждение этого факта на этом примере. Что радиоизлучение связано с изучением релятивистских электронов в магнитном поле. Это так называемое, синхротронное излучение, оно порождается сверхновыми остатками сверхновых звёзд.

Ну, а теперь нам стоит более детально посмотреть на то, как эволюция звёзд приводит к сверхновым и какие разновидности сверхновых мы наблюдаем. Сначала самое общее представление о том, как заканчивают свою жизнь звёзды. Продолжительность жизни звезды определяется её начальной массой. Вот звезда типа Солнца, с солнечной массой, она живёт примерно 10 млрд. лет. Возраст галактики 14 млрд. лет. Звезда с массой 0,8 солнечных, если она образовалась в самом начале расширения Вселенной, к нашему времени должна закончить свою жизнь. Но, как правило, эти звёзды образуются чуть позже, поэтому звёзды с массой 0,8 живут до сих пор, а с массой одна масса Солнца многие звёзды уже умерли.

Конечно, процесс их образования идёт в галактиках непрерывно, поэтому есть звёзды, которые возникли недавно. Солнце, например, возникло 5 млрд. лет назад. Это приблизительно одна треть возраста нашей галактики. Так вот маломассивные звёзды с массой отодной солнечной группы до 9-ти солнечных групп масс заканчивают свою жизнь, образуя планетарную туманность. А в центре этой планетарной туманности остаётся звёздный остаток, так называемый, белый карлик. Это плотное ядро звезды, которая потеряла свою оболочку в виде планетарной туманности. До этого звезда теряла вещество в виде звёздного ветра. Планетарная туманность – это, просто есть финальная часть, финальная стадия вот такой звезды, когда уже остаётся голый горячий карлик, и он освещает остатки вещества, которое звезда сбросила, и мы их видим, как планетарную туманность.

Ну, вот пример. Вот это – планетарная туманность. Если вы очень приглядитесь, вы увидите в центре белое пятнышко крошечное-крошечное. Это, это белый карлик. То, что осталось от звезды солнечного типа, скажем так. Вот Солнце закончит свою жизнь примерно так же. Ядро этой звезды, которое будет состоять, в основном, из углерода и кислорода, останется в центре, а всё вещество остальное будет потеряно в пространство примерно со скоростями где-то 20-30-40 км/с. Вот это та фаза, когда остатки оболочки исчезают и звезда превращается в белый карлик.

Но, каким-то образом, посмотрите опять на колонку, где рассматриваются маломассивные звёзды, я внизу там написал: 1% белых карликов, которые образуются в результате эволюции таких звёзд, вспыхивают, как сверхновые, так называемые, термоядерные сверхновые. Я здесь использовал английское сокращение TNSN, потому что это удобно. 1% образующихся белых карликов объясняет частоту вспышек термоядерных сверхновых в других галактиках. Но проблема в том, что карлик, который образуется в результате эволюции звезды солнечного типа и более массивной, скажем, 7-8 масс, имеет массу не больше одной солнечной.

А такой карлик взорваться не может. Просто теория показывает, что такие карлики не взрываются. Так что то, что образуется после полной эволюции Солнца, когда Солнце закончит свою жизнь, этот карлик, он будет иметь массу около 0,6 солнечной массы, половину от первоначальной массы. Он не взорвётся. Он остынет и присоединится к огромному множеству белых карликов, которые летают в нашей галактике и становятся холодными и невидимыми. Их много. Но мы ихне видим, потому что они остыли. Но кое-что всё-таки видим. И вот возникла идея, что термоядерные сверхновые возникают из белых карликов, но очень массивных, с массой 1,4 солнечной. Но откуда они берутся? В результате эволюции одиночной звезды такие карлики не образуются.

И тогда умные учёные, которые всегда находят решение в самых сложных ситуациях, теоретик всегда имеет какое-нибудь готовое объяснение для всего. Зачастую оно неправильное, но всегда существует какое-то объяснение. Но в данном случае возникла очень простая мысль, что белый карлик входит в состав двойной системы, допустим, с нормальной звездой. Это сценарий №1. Белый карлик вращается вместе с другой звездой. Ну, например, солнечного типа или чуть более массивной. Нормальной, которая ещё не эволюционировала до стадии карлика, а просто живёт, как наше Солнце.

Предположим, что эта двойная система тесная, так что вещество частично стекает с поверхности под действием силы тяжести, стекает в сторону белого карлика. Образуется диск, потому что есть вращение. Раз есть вращение, то выпадение вещества на белый карлик не будет радиальным, оно будет скорее в виде спирали, закручиваться вокруг карлика. Потому что момент количества движения сохраняется. Вы знаете, фигуристка, которая хочет вращаться сильно, сначала слегка закручивается, раскидывая руки в стороны, а затем, поджимая руки, сильно закручивается. То же самое происходит с этим веществом пока оно далеко от белого карлика, который здесь показан в центре. Чем ближе это вещество к карлику, тем оно вращается быстрее, быстрее и, в конце концов, выпадает на поверхность карлика. А на поверхности оно выгорает в термоядерном смысле. То есть идут реакция обычные, как в нашем Солнце. Водород сгорает в гелий, гелий в углерод, и т.д.

Этот карлик постепенно «жиреет», масса его становится больше, и больше. Наконец, он достигает массы 1,4. А это уже неустойчивое состояние. Так называемый, предел Чандрасекара, который был открыт им был в 32-м году. Чендрасекаровский предел. Карлик с массой 1,4 солнечной должен сжаться. А на самом деле, как только он начнёт чуть-чуть сжиматься, там уже температура повысится настолько, что он взорвётся. Потому что он состоит из горючего вещества. В термоядерном смысле. Из углерода и кислорода. И вот такая идея была предложена в 84-м году Ибеном и Уиланом. А сценарий №2 состоит в том, что вот такая двойная система может, на самом деле, прийти к такому итогу, при котором вторая звезда тоже превратится в белый карлик. И эти два карлика, которые вращаясь друг относительно друга, постепенно сближаются.

Из-за чего они сближаются? Из-за того, что есть, так называемое, гравитационное излучение. Оно было предсказано Эйнштейном и его открыли. Открыли как? Наблюдали двойные пульсары, которые позволяют измерять очень точно период. И оказалось, что он меняется именно в соответствии с законом, по которому излучаются гравитационные волны, по которому теряется вращательный момент из-за излучения гравитационных волн. Этим учёным, Халсу и Тэйлору, присудили  Нобелевскую премию за подтверждение существования гравитационного излучения. И вот сценарий, как это может происходить, чисто вычислительный сценарий. В трёхмерной гидродинамике стартуют от начального состояния: с двумя белыми карликами, обращающимися относительно друг друга.

Здесь показаны разные фазы через разные времена. Вот они сближаются постепенно и, наконец, на двух последних кадрах внизу справа вы видите, они уже слились и образуется горячий карлик, который взорвётся, если его масса близка к 1,4. Оказывается, если карлики образуются таким образом, вернее, если массивный карлик образуется таким образом, он может взорваться даже не достигнув критической массы. Скажем, суммарная масса – 1,2 солнечной, и он  уже может вполне взорваться. Потому что в результате приливного трения карлики очень сильно разогреваются, а слияние приводит к дополнительному разогреву. И этого оказывается достаточно, чтобы карлик взорвался. В численных моделях это уже получается. Таким образом, объяснили целый класс сверхновых, которые похожи друг на друга по кривым блеска, так называемые термоядерные сверхновые, которые взрываются, разлетаются полностью, и не оставляют после себя ничего. Просто разлетающаяся оболочка и ничего больше.

Если бы карлик взорвался в паре с нормальной звездой (сценарий номер 1), то там могла бы остаться нормальная звезда, которая летит с высокой скоростью. И время от времени предпринимаются попытки найти такую, быстролетящую звезду. А почему она летит быстро? Потому что они были на близкой орбите, и орбитальное движение происходило с высокой скоростью. Скажем, около 200 км/с. И если вы увидите звезду солнечного типа, которая летит случайным направлением с такой скоростью, то, скорее всего, она образовалась в результате разрыва такой двойной системы после взрыва сверхновой. Но таких звёзд пока не найдено.

Термоядерные сверхновые используются для того, чтобы измерять расстояния до далёких галактик, где они вспыхивают. Именно таким образом было открыто ускоренное расширение Вселенной. За это открытие недавно была дана Нобелевская премия Перлмуттеру, Шмидту и Рису, которые поняли, что наблюдение этих сверхновых, которые обладают стандартной светимостью даёт возможность исследовать расширение Вселенной. Это как использование стандартной лампы для измерения расстояний. Если мы знаем светимость лампы, и помещаем на разные расстояния, то мы можем измерить расстояние до этой лампы.

Так же со сверхновыми. И вот эти учёные нашли, что до какого-то момента времени Вселенная расширялась с замедлением, а затем она стала ускоряться. И вот за обнаружение ускоренного расширения Вселенной, в результате наблюдения стандартных сверхновых термоядерных, им была дана Нобелевская премия. Потому что это открытие ознаменовало собой открытие некой субстанции, которая называется «тёмная энергия». Потому что расширение с ускорением получается в уравнениях Эйнштейна только в том случае, если там присутствует некий компонент, который был введён Эйнштейном в самом начале, как средство сделать Вселенную стационарной. Так называемая, лямбда-член.

И природу вот этой тёмной энергии, этого компонента, который ответственен за ускоренное расширение, ещё не знают. Но что удивительно, что этот компонент содержит более 70% всей энергии Вселенной. На самом деле, состав вселенной таков, что всего 5% приходится на видимое вещество, около 25% на, так называемую, тёмную материю или тёмную массу, которая в галактиках обнаружится по кривым вращениям. Грубо говоря, зная массу, мы можем определить скорость, с которой движутся  звёзды в галактике. Но вот оказалось, что в некоторых галактиках, во многих галактиках эти скорости столь велики, что видимой массы не хватает для их объяснения. И тогда ввели, так называемую, тёмную материю. Тёмная материя – это то, что обладает гравитирующими свойствами, что притягивает другие массы, в частности звёзды.

А вот тёмная энергия – это то, что расталкивает. То есть это совершенно обратный физический эффект. Эта субстанция по своим свойствам совершенно противоположная тёмной материи. Так вот если сложить тёмную энергию и тёмную материю, мы имеем 95%, а остальное, всего лишь 5% это обычное вещество. И мы иногда шутим, что астрономы занимаются изучением того, что они, на самом деле, назвали тёмным: тёмной материей, тёмной энергией. То есть смысл этих вещей пока ещё непонятен. Мы знаем по определённым признакам, что это существует. А то, что это представляет собой, на самом деле, мы этого пока ещё не знаем. Так что удивительная наука всё-таки астрофизика.

А вот уже детали того, как светит термоядерная сверхновая. Итак, это взрыв белого карлика. Он имеет размер сравнимый с Землёй, а масса 1.4 солнечной. Это означает что вещество белого карлика очень плотное. В одном кубическом сантиметре вы можете в центре обнаружить 1000 тонн и одну тонну в кубике на границе карлика. Если его взорвать с той огромной энергией, с которой он разлетается, то окажется, что этой энергии не хватит, чтобы этот взрыв увидеть. Почему? По очень простой причине. Потому что вот это горячее взорвавшееся вещество, оно непрозрачно для собственного излучения. Оно не будет выходить и расширяясь, оно остынет. Это излучение остынет и к тому времени, когда фотоны начнут выходить из оболочки, оно уже остыло настолько, что мы его не увидим.

Дело в том, что свет, который мы видим от термоядерной сверхновой  на самом деле связан с совершенно другим процессом,распадом радиоактивного никеля-56 в кобальт-56 за 8 суток и кобальта-56 в железо-56 за 111 суток. 56 — это атомный вес.

Каждый распад сопровождается делением гамма кванта одного и вот что интересно, практически всё железо, которое есть во Вселенной и у нас на Земле, оно прошло стадию радиоактивного распада никеля-56, через кобальт-56 в железо. Ну, может быть, за исключением малой толики, которая может всё-таки синтезироваться при взрывах. Подавляющая часть железа прошло фазу радиоактивного распада. И вот эта энергия радиоактивного распада, и питает то излучение, которое испускает термоядерная сверхновая.

Более массивные звёзды с массой более 9-ти солнечных масс становятся в конце жизни неустойчивыми в ядре, их ядро коллапсирует и для определённого диапазона масс, скажем, от 9-ти до 30-ти этот коллапс, то есть сжатие ядра, приводит к образованию нейтронной звезды, а для более массивных звёзд, более 30-ти солнечных масс этот процесс приводит к образованию чёрной дыры. Нейтронная звезда не может существовать при массе ядра с массой более 2,5 солнечных. Предел пока ещё точно не установлен, но, в общем, для очень, очень массивных звёзд мы, скорее всего, будем иметь дело с чёрной дырой в конце жизни звезды после взрыва сверхновой.

Процесс коллапса, сопровождается сбросом оболочки, которую мы видим как сверхновая звезда. Эти сверхновые, связанные с гибелью массивных звёзд называют, ну, я условно их называю гравитационными сверхновыми. В англоязычных статьях их называют сокращённо CCSN, или сверхновые, порождаемые гравитационным коллапсом. Как это выглядит? Вот массивная звезда в конце своей жизни, это может быть сверхгигант, красный сверхгигант. В центре находится железное ядро, окружённое слоями вещества, которые были образованы в результате термоядерных превращений на предыдущих стадиях эволюции. Если стартовать от границы оболочки, от границы звезды, то мы будем иметь сначала водородную оболочку, потом гелиевую оболочку, углеродно-кислородную и кремниевую. И в центре железное ядро. На определённой стадии, когда его масса вырастает до 1.4 солнечной массы, оно становится неустойчивым как в случае белых карликов, и коллапсирует. Но в этом случае взрыва нет, поскольку железо является элементом с максимальной энергией связи; оно не может уже взрываться термоядерным образом. Оно может, скорее, распадаться под действием фотонов. Таким образом, ядро беспрепятственно коллапсирует, как инертная масса, с образованием нейтронной звезды.

Вот так, заканчивается жизнь массивной звезды. При этом каким-то образом гравитационная энергия, которая выделяется при коллапсе, приводит к сбросу оболочки, который мы видим как взрыв сверхновой звезды. Известно, что коллапс сопровождается излучением огромного количества нейтрино. Энергия нейтрино колоссальна. Достаточно всего 1% этой энергии, чтобы сбросить всю оболочку звезды с огромной скоростью. Но проблема, как раз, в том, что механизм этого сброса не до конца ясен. Процесс, по-видимому, очень сложный. Он включает в себя трёхмерное движение, а гидродинамику очень трудно считать теоретикам в этой ситуации, при том,когда нужно учитывать ещё и излучение нейтрино.

Так схематически выглядит взрыв, который начинается с коллапса ядра. Это показано стрелками, направленными к центру. Ядро падает на центр, потом возникает ударная волна, которая отражается от ядра. Но этой ударной волны недостаточно для того, чтобы сбросить оболочку, нужно ещё дополнительное влияние нейтрино. То есть энергия нейтрино должна каким-то образом передаться ударной волне. Это происходит в течение секунды.

В нашей галактике мы видим и остатки сверхновых, связанных с гравитационным коллапсом. До этого мы говорили о термоядерных сверхновых, которые разлетаются без остатка в результате термоядерного взрыва белого карлика чандрасекаровскоймассы. А это остаток сверхновой, рождённый коллапсом,знаменитый остаток, Кассиопея А. Изображение в видимом свете. Подчеркнём, что эта сверхновая была рождена коллапсом ядра массивной звезды в нейтронную звезду. Нейтронную звезду нашли совсем недавно.

Вот так выглядит этот же остаток в рентгеновском диапазоне. Изображение получено на спутнике «Чандра», о котором я говорил, с хорошим разрешением, одна секунда дуги. Зелёным показана внешняя ударная волна. Ну, здесь есть ещё внутренняя ударная волна. Вы видите, свечение вещества сверхновой не однородное. Это связанно с тем, что разлёт происходит не вполне симметрично в отличие от термоядерных сверхновых, где картина более или менее симметрична. В случае сверхновых с гравитационным коллапсом мы видим какие-то струи, какие-то клочки, комки. По-видимому, они не связаны уже с той неустойчивостью торможения, о которой я говорил в случае термоядерных сверхновых. Это совсем другое.

Это та клочковатая структура, которая была образована в процессе взрыва, в процессе распространения ударной волны, и в процессе инжекции этой энергии при гравитационном коллапсе. Там, по-видимому, происходят такие бурные движения, которые обязательно приводят к асимметрии. Вот вы видите здесь даже некую струю, слева в верхнем углу. С противоположной стороны тоже есть признаки другой струи. Есть ощущение, что мы имеем дело с биполярным  взрывом; порождающим выбросы на обоих полюсах.

Если у вас хорошее зрение, то вы увидите в центре маленькое белое пятнышко. Вот это то же пятнышко, но крупным планом. Это и есть нейтронная звезда, которая светит в рентгеновских лучах. А в квадратике схематическое её, изображение.Это нейтронная звезда, которая осталась после взрыва. Её температура около полутора миллионов градусов и это излучение мы видим. Это не в оптике, а в рентгеновском диапазоне. Более того, спутник «Чандра» пронаблюдал свечение этой сверхновой в течение 11-ти лет. И результат точками показан на этом рисунке, вертикальные чёрточки показывают ошибки, неопределённость данных. Но, несмотря на эту неопределённость, мы видим чёткую тенденцию к уменьшению температуры. На вертикальной оси показана температура. Вверху, 1. 55 млн. градусов. В центре – 1. 5 и внизу –1. 45 млн. градусов. Мы видим остывание этой звезды на глазах. Сверхновая вспыхнула совсем недавно, 330 лет тому назад. Но спорят, видели ли её вспышку или нет. Созвездие Кассиопея, всем хорошо известное, незаходящее в северном полушарии. Зимой его хорошо видно. Но вот каким-то образом пропустили. Но есть, правда, указание на то, что как будто её видел, английский астроном Флэмстид. Как понять быстрое остывание нейтронной звезды, которое происходит в течение последних нескольких десятков лет? Здесь показаны разные модели. Модели построили теоретики из питерского физико-технического института, Штернин, Яковлев с коллегам. Они говорят о том, что быстрое остывание можно объяснить только в модели, в которой присутствует сверхтекучесть вещества нейтронной звезды. Там возможен процесс, когда нейтроны особым образом спариваются, образуется, так называемый, куперовские пары, благодаря чему нейтронное вещество становится сверхтекучим. Оказывается, если ввести этот компонент сверхтекучести, то быстрое остывание возможно, а в других случаях оно не получится. Другой случай показан, штриховой линией. Вы видите, что эта модель не объясняет наблюдений. В общем, фантастическая физика, которая делается фантастическими инструментами. Потому что «Чандра», конечно, тот спутник, который дал очень много астрофизике.

Мы давно ждём вспышки сверхновой в нашей Галактике. Это может случиться в любой момент. Как будет выглядеть такое событие? Конечно, это будет колоссальная вспышка света с яркостью Луны. Так это в среднем можно представить. Но это может случиться, а может и нет, в ближайшие десятилетия. Зато недавно в 1987 году мы стали свидетелями сверхновой в ближайшей галактике, которая находится, грубо говоря, за углом, в Большом Магеллановом облаке, на расстоянии всего 40 килопарсек. Это по межгалактическим масштабам совсем ничто. Потому что основные галактики находятся на расстоянии 1 мегапарсек, 1 миллион парсека. А здесь всего 40 тысяч парсек. То есть это почти что рядом. Мы хорошо видим отдельные звёзды, хорошо видны цефеиды. Более того, на фотографии справа стрелочкой показано, что эта область фотографировалась мы видим ту звезду, которая взорвалась. Мы знаем её. Эта звезда, судя по тому излучению, которое можно извлечь из этих снимков, была массивной. Она имела массу примерно 20 масс Солнца. Может быть, с ошибкой плюс-минус 3 массы. Но это определённо массивная звезда.

А слева показано то, как это выглядело в момент вспышки. Она была видна невооружённым глазом. Её звёздная величина была 3. Шелтон вышел на крыльцо и увидел её. Эта сверхновая принесла нам очень важное свидетельство того, о чём мы раньше теоретизировали, что при взрывах сверхновых происходит синтез никеля-56, радиоактивного изотопа, который распадается в кобальт, а потом в железо. Здесь мы увидели воочию распад кобальта. Это уже стадия, когда оболочка сверхновой стала достаточно прозрачной для гамма квантов. Здесь мы видим результат наблюдения вот этой сверхновых на спутнике SММ, который был предназначен для наблюдения Солнца, но он зарегистрировал и гамма-излучение от сверхновой в Большом Магеллановом облаке. Эти специфические детали в гамма-диапазоне спектра совпадают с теми, которые излучаются, возбуждёнными ядрами кобальта при переходе из возбуждённого состояния  в основное. При этом излучается гамма квант. Эти гамма кванты имеют энергии известные по лабораторным измерениям. И это позволяет нам сказать, что мы видим радиоактивный распад кобальта-56. Это и было прямым доказательством того, что при взрывах сверхновых синтезируется железо через радиоактивный изотоп никеля-56, который распадается в кобальт-56, а он в железо.

А вот косвенная иллюстрация того, что никель необходим для объяснения свечения сверхновой. Наш российский астрофизик Виктор Утробин рассчитал кривую блеска, которая объясняет наблюдения, показанные здесь в виде точек. Теоретическая кривая блеска показана сплошной линией. Здесь представлены два случая. Без радиоактивного никеля, тонкая линия, которая быстро, быстро обрывается к 50-ти дням и не объясняет основного свечения около ста дней. И теоретическая кривая с никелем, масса которого 0,07 солнечной массы. Вот этого достаточно для того, чтобы объяснить свечение это сверхновой. Но в отличие от термоядерной сверхновой, где вырабатывалась, сверхновая производила 06, 0,6 солнечной массы радиоактивного никеля 56, который распадался в железо, здесь синтезируется сравнительно небольшая масса, меньше десятой, 0,07. В других случаях, может быть, и ещё меньше.

Но наблюдаются не только эти два типа сверхновых, о которых мы говорили и которые наиболее часто вспыхивают. Случаются редкие события патологических, аномальныхсверхновых. Вот одна из них: она была открыта в 1998-м году и она сразу же преподнесла сюрприз. Чем  же она аномальна? Она оказалась яркой, во-первых. Во-вторых, для объяснения её свечения оказалось необходимо предположить, что энергия взрыва была в 10 раз больше, чем энергия обычных сверхновых. Это, так называемая, гиперновая. Так вот с этой гиперновой 98-го года был связан гамма всплеск, который был зарегистрирован на спутнике BeppoSAX.

Гамма-всплеск GRB980425. Вот так он обозначается. Три первых буквы — это аббревиатура, слов «всплеск гамма-излучения», дальше стоит год 98-й, месяц 04, апрель, и число – 25-е апреля. Вот так выглядит слева эта кривая блеска в оптическом диапазоне, кривая блеска точками, там, сплошная чёрная линия – это наблюдения. Тонкая линия – это модель, которую я построил в данном случае. Она требует энергии такой колоссальной, которая здесь показана вверху, 10 в 52-й степени эргов. Масса, около 7-ми солнечных масс и радиоактивного никеля достаточно много должно быть, около половины солнечной массы. А справа показан гамма-всплеск, который зарегистрирован в гамма диапазоне спутником BeppoSAX для двух диапазонов энергии. Вверху – мягкий диапазон, внизу – жёсткий диапазон. Всё событие в гамма диапазоне разворачивалось в течение 20-30 секунд, тогда как в оптическом диапазоне это светит в течение сотен дней.

Как выглядит явление в целом? Взрывается сверхновая, а механизм взрыва связан, по-видимому, и на это указывает высокая энергия этого события, с дисковой аккрецией вещества на только что образовавшуюся чёрную дыру в результате коллапса. Массивная чёрная дыра с массой, предположим, 5 -10 масс Солнца. Около неё вращается диск с бешеной скоростью, из которого выпадает вещество на чёрную дыру. При этом в самом диске может формироваться, мощное магнитное поле. Горячее вещество диска может быть источником нейтрино высоких энергий. Нейтрино и антинейтриноаннигилируют, и это формирует биполярные струи электронов и позитронов, которые прошибают звезды оболочку, ещё не разлетевшуюся. Потому что процесс рождения и распространения таких струй занимает около десятка секунд.

Эти струи пронизывают звезду и движутся затем со световой скоростью и благодаря процессам, столкновению ударных волн в этих струях, – потому что выбросы могут происходить порциями, – рождается гамма всплеск, а потом ещё происходит явление, которое называется «послесвечение». Оно видно иногда в оптическом диапазоне. Вот так выглядит примерно гамма всплеск. Гамма всплески, кстати, были обнаружены на спутниках, которые контролировали запрещение ядерных испытаний. Потому что ядерные взрывы рождают гамма всплески и спутники «Вела» регистрировали все события, связанные со всплесками гамма-излучения на Земле. Но заодно, попутно они обнаружили в своих детекторах какие-то странные всплески, которые приходили, вообще, из космоса, не с Земли. И они долго не публиковали эти данные и 1973-м году опубликовали всё-таки с указанием на то, что эти гамма-всплески космического происхождения. Было предложено около ста теорий с целью объяснения этих гамма всплесков. И только в конце 90-х годов стало ясно, что эти события связаны со взрывами массивных, с рождением струй, движущихся со световой скоростью и, таким образом, это всё нашло качественное, по крайней мере, объяснение. Окончательной теории, конечно, здесь ещё нет.

Наконец, есть редчайшая разновидность сверхновых, которые, которые просто поражают воображение. Их энергия взрыва в сотни раз, даже, скорее, не энергия взрыва, а высвечивание, высвечиваемая энергия в оптическом диапазоне в сотни раз превышает энергию, которая высвечивается нормальными сверхновыми. Это колоссальные явления, хотя их общая энергия может быть меньше, чем энергия гиперновых, о которых я только что говорил. Она может быть заметно меньше, но там, каким-то образом, реализуется высокая эффективность высвечивания энергии в форме излучения. И вот одна из таких сверхновых, она просто поразила астрономов и приковала к себе внимание. Но объяснение оказалось очень простое. Я был, кстати, в это время в Вирджинии. Для меня не составило труда понять механизм этого свечения, поскольку ещё в 90-м году я предложил, что некоторые из сверхновых, которые мы знаем, хотя были не столь мощными, как эта, но всё же светимость, превышающую светимости обычных сверхновых. И я тогда предложил механизм, который был основан на том, что у вас взрывается сверхновая не в пустом пространстве, а вокруг есть плотное околозвёздное вещество, которое было потеряно самой предсверхновой звездой на более ранней стадии. Оно медленно истекало, допустим, или было сброшено, но с низкой скоростью. И вот взрыв сверхновой догоняет это вещество, оболочка сталкивается и благодаря тому, что размеры этой ударной волны велики, излучение, которое рождается, оно не заперто и выходит свободно. Так обеспечивается высокая эффективность преобразования кинетической энергии в излучение. И, таким образом, при умеренной даже энергии взрыва можно получить очень высокий оптический выход. И вот этот механизм я применил для объяснения некоторых сверхновых. Он общепринят сейчас. И в случае этой необычно яркой сверхновой он был использован. Оказалось, однако, что в этом случае околозвёздная оболочка имела колоссальную массу, около, от 10-ти до 20-ти масс Солнца. Если обычно в тех случаях, которые я рассматривал, прежде требовалось, ну, одна-две массы Солнца от силы, то в этом случае надо было предположить существование такой мощной, массивной оболочки, с которой сталкивается оболочка сверхновой с массой, ну, где-то около 5-ти, тоже 10-ти масс Солнца. Вот так выглядит схема. Есть околозвёздная оболочка плотная, в ней взрывается сверхновая, она тормозится и при этом её кинетическая энергия превращается в излучение, которое обеспечивает высокую светимость этих сверхновых.Это, так называемая, сверхновая класса SLSN – английская аббревиатура, – сверхновая, сверхвысокой светимости.

Механизм взрыва таких сверхновых и с какими звёздами связаны эти события до конца не ясны. Какая-то часть из них, может быть, связана с относительно нормальными массами звёзд 30-50 масс Солнца, возможно. Но сейчас склоняются к тому, что, возможно, по крайней мере, некоторые из сверхновых сверхвысокой светимости обусловлены термоядерным взрывом очень массивной звезды. Там реализуется такая ситуация, когда у вас вещество прогорело, скажем, водород превратился в гелий, гелий в кислород-углерод. Вот такое углеродное ядро внутри звезды становится неустойчивым относительно сжатия. И в какой-то момент начинается сжатие, это сжатие порождает взрыв. И этот взрыв не является летальным, как говорится. Звезда не разрушается полностью, но сбрасывает какую-то часть своей массы. Это если звезда массивная, она может сбросить довольно приличную часть своей массы, но приличная часть и остаётся. И этот процесс может продолжаться до нескольких раз. Считается, что может три раза такой импульсный взрыв произойти. И вот представьте, что вы имели первый взрыв, который сбросил массивную оболочку, и второй мощный взрыв, при котором вещество столкнулось с тем веществом, которое было сброшено до этого. Вот так примерно могло бы выглядеть схема, которая могла бы объяснить это событие.

И, наконец, чтобы, чтобы подвести вас к тому, что все эти  катастрофические взрывы не вполне враждебные, нечто такое, что нам угрожает, я хочу сказать о том, что именно благодаря этим взрывам существуем мы, существует весь мир. Эти взрывы дружелюбны, на самом деле. Мы являемся частью той природы, в которой эти взрывы необходимые элементы всего того, что мы видим и нас самих. И вот в качестве иллюстрации, как бы в продолжение метафоры Шкловского Иосифа Самойловича, который сказал когда-то: «Вы должны понимать, что атом железа в молекуле гемоглобина когда-то был рождён из радиоактивного распада никеля. И на этот каждый атом железа где-то во Вселенной летит гамма-квант, который был испущен при распаде кобальта в железо». И вот я привожу здесь картинку молекулы гемоглобина, которая выполняет очень важную функцию. Она снабжает кислородом наши клетки. Мы вдыхаем, кислород, он поступает в лёгкие и в лёгких происходит процесс присоединения кислорода к атомам железа. В каждом случае одна молекула гемоглобина имеет 4 атома железа. Каждый атом железа присоединяет одну молекулу кислорода, О2. Значит, 4 атома, соответственно, четыре, 4 молекулы кислорода, 4 атома, то есть 8 атомов кислорода. Вот они здесь жёлтенькими показаны. Это те центры, хеммы их называют, где сидят атомы железа. Если бы не было сверхновых, то не было и гемоглобина в таком виде и нашей жизни возможно бы не существовало.

Спасибо.

 

Ответы на вопросы

Благодаря звёздам появились тяжёлые элементы от взрыва сверхновых, их распределили по сегментам. Но сверхновые продолжают жизнь и сейчас. Расскажите, пожалуйста, как они это делают? Я имею в виду космические лучи, их влияние на Землю.

Ну, как мы говорили уже, когда рассматривали радиоизлучения остатков сверхновой 1572-го года, Тихо Браге в данном случае, на самом деле, все остатки сверхновой излучают в радио, излучают синхротронное излучение, которое свидетельствует о том, что на ударных волнах происходит ускорение космических лучей. Космические лучи пронизывают всю галактику, но на самом деле они движутся по очень запутанным траекториям. Потому что магнитное поле галактики отклоняет их траектории. Но, в конце концов, они заполняют всю галактику, потому что рано или поздно от источника, от конкретных источников они распространяются достаточно далеко. И мы принимаем детекторами, которые установлены на спутниках и на Земле, принимаем эти потоки частиц. Мы знаем распределение по энергиям, мы знаем химический состав. Там есть и железные ядра ускоренные, гелиевые. Ну, в общем, все элементы. Изучается элементный состав. Более того, сейчас появилась такая новая тема, связанная с космическими лучами сверхвысоких энергий. В своё время Зацепин предположил, что космические лучи, частицы не должны превышать энергию 10 в 19-20й степени электрон вольт. Потому что есть эффект, ну, если считать, что они возникают в каких-то источниках, связанных с другими галактиками, квазарами, активными ядрами галактик, которые далеко, то и есть такой процесс, который приводит к тому, что энергия космических лучей при распространении в пространстве убывает резко. Виновник – процесс комптоновского рассеяния. То есть рассеяния на фотонах реликтового излучения того самого трёхградусного излучения, которое заполняет всю Вселенную.

Оказывается, релятивистские частицы, продираясь сквозь этот фотонный газ, чувствуют его. И если энергия их огромна, то они просто в результате одного-двух рассеяний сильно теряют энергию. Таким образом проблема происхождения космических лучей высоких энергий сейчас стала на, на повестку дня. Видят, действительно, завал на высоких энергиях, связанных с этим эффектом. Но происхождение космических лучей сверхвысоких энергий пока ещё не ясно. Считается, что они связаны с гамма всплесками. Что касается, так сказать, влияния их на нашу повседневную жизнь, ну, можно сказать, что если бы не было магнитного поля Земли, я не уверен, что жизнь в какой-то форме бы существовала. Потому что поток космических лучей достаточно велик и только благодаря магнитному полю Земли, которое заворачивает зараженные частицы, поток их на Земле мал. Потому что заряженные частицы в магнитном поле вращаются вокруг силовых линий. Они натыкаются на магнитное поле Земли и отражаются. Ну, всё-таки в области высоких энергий этого поля не хватает, они проскакивают на Землю, их регистрируют. Интересно, что солнечная активность влияет на потоки этих космических лучей. Есть 11-летний цикл, который хорошо регистрируется, по потоку космических частиц, космических лучей. И связано это с тем, что интенсивность солнечного ветра звёздного, в которое вморожено магнитное поле, меняется с 11-летним циклом активности и этот солнечный ветер, он вытесняет как бы эти космические лучи, которые стремятся проникнуть в нашу гелиосферу, в нашу солнечную систему, давлением, вот, этой плазмы, в которую вморожено магнитное поле. Это такой же эффект, который заворачивает космические лучи при взаимодействии их с магнитным полем Земли.

Есть мысли, что, в общем, космические лучи влияют, возможно, на процессы в верхних слоях атмосферы. Да, такое влияние есть. Ну, в общем, я не думаю, что это влияние колоссальное. Но, во всяком случае, не исключено, конечно, что некоторые генетические мутации происходят под влиянием космических лучей. Но здесь следует иметь в виду, что естественная радиоактивность, она не уступает космическим лучам. Потому что есть, естественная радиоактивность Земли и земных пород, распад радиоактивного калия,  и т.д. Так что я не могу сказать, что их роль превышает роль обычного Солнца, солнечного излучения.

Две недели назад была лекция по поводу, астероидной опасности, и на следующее же утро вот произошёл этот эксперимент. Вот я хотел спросить: в ближайшее время не ожидается вариант №1 блуждающий карлик? Ничего не можете сказать?

Кстати, об астероиде я бы мог сказать, потому что я сейчас немножко влез в эту тему. Так случилось, что мне пришлось давать интервью на телевидении и я так, в общем, заинтересовался этой темой, да к тому же в своё время я сделал одну работу по метеорам, и мне пришлось почитать литературу соответствующую. Так я оказался в теме немножко. И, значит, решил оценить, независимо от НАСА, те оценки энергии, которые приводятся в сообщении 0,5 мегатонн. Полмегатонны взрыв этого астероида, то есть его кинетическая энергия соответствовала примерно половине мегатонны ТНТ. Так оценивается по данным инфразвуковых детекторов, которые установлены на Земле для контроля запрещения испытания ядерного оружия в атмосфере. А сейчас они служат вот этим целям, ну, заодно и военным целям. Значит, они анализируя данные этих детекторов оценили энергию в 0,5 мегатонны. Я использовал совершенно примитивный подход. В Челябинске на видеокамерах, установленных на автомобилях, видеорегистраторах, есть такие события, когда стоит машина. Мы видим вспышку, самую яркую фазу и потом через некоторое время слышим звук ударной волны. Вот для одного такого случая запаздывание составило 142 секунды. Вот этого времени мне казалось достаточным вместе с фактом разрушения стёкол. Я использовал американские источники по рассекречиванию данных по атомным взрывам и справочник по предотвращению террористических угроз, там, рекомендации для строителей, при какой силе ударной волны, при каком превышении давления ломаются, то есть разрушаются стёкла и всё такое.

И вот используя эти оценки, я получил оценку очень простую: от 0,4-х мегатонн до одной мегатонны. То есть примерно соответствует тому, что и специалисты НАСА нашли. На самом деле это был Питер Браун, канадский специалист, специалисты НАСА использовали эту оценку. Что касается возможного предсказания этих событий, кстати, почему вот говорят, не было предсказано этого события, почему не увидели такой астероид. Он достаточно крупный, 17 метров. Так оценивают его размеры. И, в принципе, он мог быть обнаружен за недели, даже за месяц в крупный инструмент элементарно. Но проблема в том, что он просто ранее не попадал в поле зрения. Для того чтобы обнаружить такие тела, нужно проводить наблюдения всего неба, обзор всего неба с высокой чувствительностью. Сейчас нет таких инструментов. Есть «Панстарс», такая система американская. Она, в основном, для военных предназначена. В принципе, она может это делать. Но в данном случае мы как раз столкнулись с той ситуацией, когда размеры таковы, что эти астероиды достаточно трудно обнаружить. К тому же он пришёл с солнечной стороны. В принципе, это нельзя было сделать ни за неделю до этого, ни раньше. А что касается прогноза. Проблема с астероидами таких размеров существовать будет всегда. Потому что они выпадают с частотой примерно один раз в 10 лет, а может и чаще, раза 2-3 в 10 лет и выпадают, в основном, в океаны. Две трети Земли заняты океанами, где они не замечаются никем. Правда, вот инфразвуковые детекторы уже регистрируют такие события. Ну, и вероятность того, что это упадёт на город, мала. Но с другой стороны, их много и они будут падать и, Бог знает, когда это случится в следующий раз. В принципе, нужно думать о том, чтобы создавать систему наблюдения, которые бы пересчитала все потенциально опасные астероиды на орбитах, которые могут потенциально столкнуться с Землёй. Такую работу можно сделать для астероидов с размерами, свыше 50-ти метров, ну, в общем, это планируется делать.

Солнцу ничего не угрожает, да?

Что касается Солнца. Относительно Солнца можно сказать следующее. Что солнечная активность, она существует и время от времени мы сталкиваемся с такими событиями, сверхмощными солнечными вспышками. Мы знаем единственный пример абсолютно рекордной вспышки. Это вспышка Кэрингтона в середине 19-го века, которая была настолько колоссальная, что она привела к сильному возмущению магнитного поля Земли, которое в свою очередь, индуцировало мощные токи в телеграфных линиях. При том такой силы токи, что в одном случае телеграфиста ударило током, в другом от искры загорелась бумага. В общем, наведённая ЭДС была совершенно фантастической. Но это событие, конечно, исключительное. Судя по всему, они случаются не чаще, чем раз в сто лет, но время от времени происходят, тем не менее, столь сильные вспышки, что выбиваются трансформаторы, скажем, на линиях электропередач тысячекилометрового масштаба. Потому что ясно, что ЭДС зависит от индуктивности, а индуктивность пропорциональна длине контура, грубо говоря. Вот, линии электропередач масштабов в тысячу километров, они особенно уязвимы в этом смысле. Там, конечно, иногда происходят повреждения трансформаторов и т.д.

Что сейчас вокруг Вселенной?

А-а. Что за пределами того, что мы видим? Знал бы я, я бы тебе сказал. Я не знаю. Может, тебе предстоит дать ответ на этот вопрос.

Пока что мы не знаем, что там, за пределами

Мы знаем только то, что мы видим, к сожалению. И даже то, что мы видим, мы не до конца понимаем. Я уже сказал о том, что 95% вещества энергии, которая содержится во Вселенной, имеет непонятную природу. Мы не знаем, что это такое. Даже то, что мы, как говорится, относительно чего мы имеем чёткие указания, что оно есть, это нечто, но мы не знаем, из чего оно состоит. А уж что за пределами видимого горизонта, за пределами тех галактик, которые мы видим на пределе чувствительности, мы не знаем.

Тогда почему придумали, что все началось от Большого взрыва, что было до взрыва?

Разумный вопрос. Нет, ну, такая версия рождается сама собой. Вот мы видим, галактики разлетаются друг от друга. Но что это значит? Если мы, скажем, обратим время. Скажем, вот, эту плёнку прокрутим назад, если бы мы снимали всё время, непрерывно, процесс разбегания галактик, мы бы увидели, что когда-то эти галактики были вместе, почти рядом, потому что они разбегаются. Значит, мы можем понять, что когда-то это было очень плотное состояние. Собственно, теория Большого взрыва – это просто есть констатация того факта, что когда-то это вещество было вместе. А то, из чего это плотное вещество родилось, мы ещё до конца не знаем. Но мы знаем точно, что было когда-то плотное состояние. Мы видим это плотное состояние по тому остаточному теплу, которое мы регистрируем в виде трёхградусного радиоизлучения. Оно идёт со всех сторон и абсолютно одинаковое. Это тепло Вселенной, которая остыла. Так что идея Большого взрыва, это просто констатация факта, что когда-то это было очень плотное и горячее.

Николай Николаевич, а у меня продолжение вопроса. Он не космологического характера. Много где в литературе написано, и вы сегодня помянули, что первичная Вселенная – это водород и гелий и очень большое там доля процента.

— Миллиардная.

Миллиардная, миллиардная, да, доля процента это видимо. А у меня два взаимозависимых вопроса. Во-первых, откуда мы знаем, там был литий? И, во-вторых, почему, если было такое явление, как Большой взрыв, а это было очень энергичное явление, почему не возникли более тяжёлые элементы? И третий вопрос. А как вообще горели звёзды? Я не понимаю, как может существовать звезда только из водорода.

Нет ничего проще звезды, как сказал Эддингтон. Проще чашки чая. Значит, первый вопрос касается.

— Откуда мы знаем?

Знаем, да, что литий, да?..

— Что, вообще, было?

Что литий был. Просто дело в том, что, что в первых звёздах, в звёздах с низким содержанием металла, мы видим литий и, в общем, такое впечатление, что у нас есть просто чёткое указание на то, что содержание лития, которое мы видим, оно сочетается, хорошо согласуется с космологическим. С той теорией нуклеосинтеза, которое имело место на самой ранней стадии Вселенной.

— Просто очень далеко эти звёзды и мы знаем, что ранние звёзды…

Ранние звёзды показывают такое содержание лития, которое естественным образом получается в теории. Это некое подтверждение того, что это так. Более того. Гелий, который нужно образовать, ибо, если вы представите какой-то другой механизм образования гелия, например, звёзды в результате реакции горения водорода, вы вступаете в противоречие с измерением реликтового излучения. Оказывается, только так можно гелий сформировать.

А те условия, при которых гелий формируется, они автоматически приводя к образованию лития. Почему не образовались тяжёлые элементы? По очень простой причине. Оказывается, процесс, вот этот процесс с участием протонов и нейтронов, процесс, он занимает некоторое время для того, чтобы синтезировать более тяжёлые элементы. Там сечения очень малы и когда Вселенная расширяется, просто мы не успеваем пройти до той стадии, когда образуются тяжёлые элементы. Более того, для того, чтобы образовался первый элемент из тяжёлых элементов углерод, нужно очень счастливое стечение обстоятельств и Хойл указал на то, что должен быть энергетический уровень, который, при котором образуется из трёх ядер гелия ядро углерода.

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель