Вспышка новой

Конечно, новые звёзды поражают человеческое воображение. Но яркий свет их совершенно меркнет перед грандиознейшим явлением – вспышкой Сверхновой!

В исторических летописях последнего тысячелетия удалось найти и прочитать свидетельства о пяти вспышках необыкновенно ярких звёзд, замеченных ещё в дотелескопическую эпоху. Сейчас все они истолковываются как вспышки сверхновых.

Первая такая вспышка произошла в 1006 году в южном созвездии Волка. Мы знаем об этом из арабских хроник, а также из записей швейцарского монаха Эпидануса.

Вторая вспышка наблюдалась 4 июля 1054 года в зодиакальном созвездии Тельца. Китайский летописец сообщает о том, что «звезда-гостья была видна днём, как Венера, лучи света исходили из неё во все стороны, и цвет её был красно-белый. Так была видна она 23 дня». Затем блеск её стал ослабевать, и 17 апреля 1056 года она исчезла с небосвода.

Сверхновая 1572 года была замечена в созвездии Кассиопеи датчанином Тихо Браге. Знаменитый ас­троном оставил подробные наблюдения развития вспышки, и сейчас этот феномен известен как Сверхновая Тихо*. И наконец, вспышку Сверхновой 1604 года в Змееносце наблюдал Иоганн Кеплер (Сверхновая Кеплера).

После 1604 года вспышки сверхно­вых в Галактике не наблюдались. Одна­ко это вовсе не означает, что таких вспышек за последние четыре столетия не было. Ведь вблизи галактической плоскости, проходящей через середину Млечного Пути, сосредоточены гигант­ские пылевые облака, которые сильно поглощают свет. Поэтому редко какую сверхновую удается увидеть. Доподлин­но известно, например, что в 1667 году в Кассиопее вспыхнула сверхновая, но по причине запыленности Галактики она так и осталась незамеченной. И только присутствие в этой области неба расши­ряющейся газовой туманности, связан­ной с радиоисточником Кассиопея А, свидетельствует о разразившейся здесь грандиозной катастрофе. Каковы же причины взрывов звезд, наблюдаемых как вспышки сверхновых?

Пока в недрах звезды совершаются термоядерные реакции и поддерживает­ся высокая температура, светило сохра­няет свое устойчивое равновесие. В ходе эволюции звезды ядерные реакции при­водят к возникновению тяжелых хими­ческих элементов вплоть до железа. Но с образованием элементов группы железа ядерное горючее «выгорает», «термояд» прекращается, и звезда оказывается на­кануне драматических событий. Лишен­ное источников энергии ядро звезды, если его масса превышает 1,2 солнечной массы, начинает катастрофически сжи­маться, ибо внутреннее давление уже не может противодействовать силе грави­тации. В свою очередь оболочка звезды, лишенная поддержки лучевого давле­ния, начинает стремительно падать на ядро. Такое падение сопровождается выделением колоссального количества энергии. В течение каких-то секунд ки­нетическая энергия падающих наруж­ных слоёв звезды превращается в тепло­вую — происходит мгновенный разогрев вещества, завершающийся взрывом. При этом выделяется столько энергии, сколько наше Солнце излучает в течение 1 млрд лет! Известно, что Солнце ежесекундно излучает 3,9·10³³ эрг, а в одном миллиарде лет — 3,16·10¹⁶ секунд. Следовательно, энер­гия, которая выделяется при вспышке сверхновой, достигает 10⁵⁰ эрг!

Хотелось бы заметить, что запас тепловой энергии Солнца в 100 раз меньше энергии, излучаемой сверхновой. Зна­чит, освободившейся при вспышке сверхновой энергии более чем достаточно, чтобы полностью рассеять в межзвёздном пространстве вещество звезды, похожей на Солнце. Таким образом, сверхновые как феномен — это совсем не звёзды, а гигантские взрывные процессы, в которых звёзды гибнут.

Датский астроном Тихо Браге

(1546-1601) наблюдает

вспышку Сверхновой 1572 года

в созвездии Кассиопеи.

В 1885 году мощная вспышка сверх­новой впервые наблюдалась в Туманно­сти Андромеды. Поток излучения от нее был лишь в четыре раза меньше, чем от всей этой ближайшей к нам спи­ральной галактики. Выходит, что в мак­симуме блеска одна сверхновая может дать примерно столько же света, сколь­ко его излучают все звезды гигантской звездной системы, подобной нашей Га­лактике или галактике в созвездии Ан­дромеды!

Со времени начала телескопической астрономии (Галилей, 1610 год) сверх­новых в нашей Галактике еще никто не наблюдал, а научная информация о вспышках сверхновых в других звезд­ных системах явно недостаточная. Это затрудняет построение физических мо­делей взрывающихся звезд; ключ к рас­крытию загадок сверхновых приходится искать в результатах исследований их остатков.

Первым космическим объектом, ко­торый астрономы признали за остатки вспыхнувшей сверхновой, является зна­менитая Крабовидная туманность в Тельце. На небе она расположена как раз там, где в 1054 году китайские ас­трономы наблюдали великолепную «звезду-гостью».

На фотографиях туманность имеет отдаленное сходство с очертаниями кра­ба, поэтому она и получила название Крабовидной. Из сравнения снимков, сделанных в разные годы, было опреде­лено: туманность расширяется со скоро­стью 1200 км/с. Расширение началось 6500 лет назад при взрыве сверхновой. (Расстояние до «Краба» 5500 световых лет, да еще прошло почти целое тысяче­летие с того момента, как вспышка была замечена на Земле. Вот и получается, что давность события — около 6500 лет.)

В 1949 году было установлено, что Крабовидная туманность является яр­ким источником космического радиоиз­лучения. Вскоре были открыты еще та­кие же радиоисточники и отождествле­ны с остатками вспышек других галак­тических сверхновых. Но самой мощ­ной из этих жнебесных радиостанций» оказалась туманность в Кассиопее — ос­таток Сверхновой, вспыхнувшей в 1667 году. Однако чем же вызвано их интен­сивное радиоизлучение?

Вспышка сверхновой

Диаграмма «спектр-светимость» Герцшпрунга-Рессела

Уже к началу XX века до многих звёзд удалось измерить расстояния, что позволило вычислить их абсолютные звёздные величины, то есть тот блеск, который имели бы звёзды, если бы находились от нас на одинаковом расстоянии, равном 10 пк. Благодаря этому были оценены светимости звёзд — было установлено, во сколько раз та или иная звезда ярче или слабее Солнца. В то же самое время были изучены спектры звёзд и определены их поверхностные температуры. И тогда всю совокупность звёзд с известными физическими характеристиками стали анализировать два астронома — датчанин Эйнар Герцшпрунг (1873—1967) и американец Генри Рессел (1877—1957). Независимо друг от друга они построили диаграмму «спектр-светимость» (см. рисунок 1). На нижней гори­зонтальной оси диаграммы отложили спектральные классы звёзд, а на левой вертикальной оси — их светимости (светимость Солнца была принята за едини­цу). Затем они нанесли на диаграмму каждую изученную звезду в соответст­вии с её температурой (спектром) и све­тимостью (абсолютной звездной вели­чиной).

Если бы между спектральными клас­сами и светимостями звёзд не существо­вало никакой зависимости, то в распо­ложении звёзд-точек на диаграмме не прослеживалось бы никаких закономер­ностей. Но звёзды не заполняют беспо­рядочно всю её площадь, а располагают­ся вдоль довольно узких полос. Каждую такую полосу принято называть после­довательностью. И чем выше располо­жены на диаграмме звёзды, тем больше их светимость, а чем они левее, тем вы­ше их температура.

Подавляющее большинство звёзд принадлежат так называемой главной последовательности. Она простирается через всю диаграмму — от левого верх­него угла к правому нижнему. В неё вхо­дят звёзды различной светимости и всех спектральных классов, от горячих голу­боватых гигантов до красных карликов. К числу звёзд главной последовательно­сти принадлежит и наше Солнце. Звёз­ды со светимостью, близкой к солнеч­ной и ниже её, называются звездами - карликами. Среди них есть желтые кар­лики (спектрального класса G) и крас­ные карлики (спектральных классов К и М). Солнце — жёлтый карлик.

От главной последовательности, в том месте, где находятся светло-желтые и жёлтые звёзды, вправо вверх отходит ветвь красных гигантов. В самом верху диаграммы расположена последовательность сверхгигантов — звёзд наибольшей светимости. Наконец, в левой нижней части диаграммы особняком сгруппировались весьма необычные звезды — белые карлики.

Если не принимать в расчёт белые карлики, то, как это видно из диа­граммы (см. рисунок 1), белые звёзды облада­ют самой большой светимостью. А вот жёлтые и ещё в большей степени красные звёзды встречаются либо как карлики, либо как гиганты. С промежуточ­ной светимостью таких звёзд нет вовсе. Таким образом, природа не допуска­ет существования любых звезд.

Рис. 1. Диаграмма Герцшпрунга – Рессела. Связь между светимостями (абсолютными величинами) звёзд и их спектрами (температурой).

На диаграмме звёзды расположены не хаотично, а в определенном порядке. Большинство звёзд, в том числе Солнце, находятся на «главной последовательности».

Если считать, что звёзды каким-то образом эволюционируют вдоль главной последовательности, то следует вывод, что они непрерывно теряют значительную часть своей первоначальной массы. А любое изменение массы Δm, по фундаментальному закону природы, сопровождается изменением полной энергии системы:

ΔЕ = Δm·с²

В связи с этим, центральным вопросом в проблеме эволюции звёзд является источник их энергии. Откуда в звёздах берётся огромное количество энергии, необходимое для поддержания излучения? Так, например, Солнце за 3 млрд лет излучило 4·10⁵⁰ эрг энергии. Попытки людей объяснить источник солнечной энергии всегда отражали уровень развития научных знаний. Высказывались различные гипотезы. Но с открытием явления радиоактивности было выдвинуто предположение, что в недрах звёзд, а, следовательно, и в недрах Солнца, происходит интенсивный распад радиоактивных элементов. В 1920 году выдающийся английский астроном Артур Эддингтон впервые предположил, что источником солнечной энергии может быть термоядерный синтез. Согласно современным представлениям, в глубинах Солнца и ему подобных звёзд происходят ядерные реакции, то есть процессы, в ходе которых образуются не химические соединения, а ядра новых химических элементов. В раскалённых недрах светила, где температура может достигать 15 млн градусов, ядра атомов водорода – протоны, преодолевая силу взаимного отталкивания, сближаются и, «сливаясь», образуют ядра гелия. Этот процесс превращения водорода в гелий состоит из цепочки трех последовательных ядерных взаимодействий, получивших название протон-протонного цикла, в результате которого из четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия.

Протон-протонный цикл: из четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия.

Но масса ядра гелия (4,0030.. г) несколько меньше массы четырёх протонов (4х1,008=4,032 г). Дефицит масс составляет 0,029 г. Так, при синтезе 1 г водорода «дефект массы» составляет 7 мг. Зная это и используя открытый Альбертом Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии, можно подсчитать, что только при «сгорании» 1 г водорода выделяется 150 млрд калорий! В солнечном же термоядерном «котле» каждую секунду должно «сгорать» 564 млн т водорода, то есть превращаться в 560 млн т гелия. И если бы из оставшихся на Солнце запа­сов водорода только половина пошла бы на термоядерный синтез, то Солнце светило и со­гревало бы Землю с неослабевающей си­лой ещё на протяжении 30 млрд лет. Значит, термоядерный процесс, по-видимому, и является тем неиссякаемым источником энергии звёзд во Вселенной.

Термоядерные реакции протекают лишь при температурах более 10 млн градусов. Такая высокая температура может господствовать только в самой «центральной» области Солнца с радиу­сом, равным примерно четверти солнеч­ного. Энергия в этом самоуправляемом термоядерном реакторе выделяется в виде жестких гамма-квантов.

«Просачивание» излучения из цен­тра Солнца к поверхности совершается крайне медленно. При этом в процессе переноса энергии от слоя к слою гамма- кванты дробятся. Сперва они превраща­ются в кванты рентгеновских лучей, за­тем в ультрафиолетовые... Пройдет око­ло 10 млн лет, прежде чем родившиеся в недрах светила гамма-кванты выйдут из него фотонами видимого света. Таким образом, свет, испускаемый Солнцем сегодня, был порождён ещё в конце третичного периода, то есть задолго до появления на Земле современного человека.

Но оптическое (видимое) излучение Солнца не отражает физической сущности явлений, совершающихся в глубинах светила. А если так, то солнечный термоядерный синтез — пока всего лишь гипотеза, которую требуется доказать.

Не исключено, что термоядерный процесс в глубинах Солнца совершается далеко не непрерывно. Периодически он, возможно, затухает может быть даже полностью прекращается, а по прошествии некоторого времени разгорается с прежней силой. Причина циклических изменений в работе солнечного «котла» связана, скорее всего, с происходящими время от времени изменениями физических условий в недрах Солнца. Это может быть вызвано, например, скачкообразным перемешиванием солнечного вещества. И как прямой результат такого перемешивания – «охлаждение» недр светила и временного прекращения «термояда». Не исключено, что в настоящее время солнечный термоядерный реактор «выключен» (происходит перемешивание!) и Солнце излучает лишь энергию, накопленную в предыдущем цикле. Накопленной энергии достаточно, чтобы Солнце излучало её в течение десятка миллионов лет.

Согласно гипотезе скачкообразного перемешивания солнечного вещества, процесс перемешивания совершается, видимо, в течение 10 млн лет, а полный цикл изменения светимости Солнца охватывает период в 200 млн лет. Именно один раз в 200 или 250 млн лет на Земле происходили сильные похолодания.