Сверхновые звезды

В прошлом сюжете мы остановились на массивной звезде, подошедшей к концу жизненного цикла, в которой начало формироваться ядро из железа. На это ядро действует огромное давление, направленное к центру, поскольку чем более тяжелые элементы образуются в ядре, тем плотнее оно становится, и все больше элементов в нем вступают в реакции синтеза. В результате синтеза в вышележащих слоях железное ядро становится массивнее и плотнее, как бы вжимаясь в себя. В нем самом синтез не идет, поскольку при слиянии ядер атомов железа энергия уже не выделяется. Чтобы создать из него более тяжелые элементы, нужно затратить энергию, так что это не экзотермический процесс. А если дополнительная энергия не выделяется, то дальнейший синтез не сможет противодействовать сжатию ядра и возрастанию его плотности. Итак, ядро накапливает все больше железа, становясь массивнее и плотнее. И при некоторой, уже довольно высокой массе единственное, что еще предохраняет звезду от полного коллапса — это давление вырожденного электронного газа. Вырожденный электронный газ. Все это означает, что когда атомы находятся в условиях чрезвычайно высоких температур и давлений, они теряют свои электроны, и те образуют плотный газ. Давление такого газа определяется давлением электронов. Другими словами, когда атомы железного ядра предельно сближаются из-за огромной силы тяжести, им не дают сжиматься дальше до полного коллапса только электроны, образующие электронный газ с давлением, противодействующим силам гравитации. Что касается вырожденного электронного газа, то, не углубляясь в квантовую механику, можно сказать так: электроны не желают находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Это налагает запрет на их дальнейшее сближение. Поэтому (по крайней мере временно) законы квантовой механики удерживают звезду от коллапса. Если менее массивная звезда превращается в белый карлик, именно давление вырожденного электронного газа поддерживает форму звезды, не позволяя ей сжаться в точку. Но, поскольку железное ядро продолжает наращивать массу и уплотняться, а давление и температура в нем повышаются, в конце концов наступает момент, когда даже давление вырожденного электронного газа, последний барьер на пути к полному сжатию, вынуждено уступить. Происходит реакция так называемого электронного захвата: протон захватывает электрон и становится нейтроном. Все вещество ядра звезды превращается в сгусток нейтронов, высокое гравитационное давление буквально впрессовывает свободные электроны в протоны атомных ядер. Это процесс противоположный бета-минус-распаду, в котором ядро атома испускает электрон, при этом превращая один из нейтронов в протон. В этих процессах также испускаются нейтрино. Но попытайтесь представить, какое гигантское количество энергии при этом высвобождается. За очень короткое время все вещество ядра звезды превращается в сплошной сгусток нейтронов и стремительно сжимается в гравитационном коллапсе, поскольку противодействовавшее ему давление вырожденного электронного газа падает до нуля. Происходит так называемая нейтронизация вещества, и ядро превращается в компактный сверхплотный шар из нейтронов. Его можно представить себе как один огромный невероятно массивный атом ни с чем не сравнимой плотности. В результате коллапса ядра одновременно высвобождается огромное количество энергии в форме нейтрино. В форме нейтрино. Кажется, я оговорился, сказав, что высвобождаются нейтроны. Это не так, поскольку в нейтроны превращаются протоны после захвата электрона, и получается вот такой сверхплотный нейтронный шар. В процессе коллапса высвобождаются элементарные частицы, называемые нейтрино. Не стоит вдаваться в сложные детали, однако это дает в итоге огромное количество энергии. Давайте повторим всю динамику процесса для лучшего понимания, через какие стадии сжатия проходит железное ядро звезды. Вначале в процессе коллапса наступает некоторая пауза из-за того, что сжатию противостоит давление вырожденного электронного газа. Но в конце концов оно больше не может компенсировать гравитационное давление, и ядро коллапсирует в сверхплотный нейтронный шар. При этом выделяется огромное количество энергии, ведь это очень массивная звезда, поэтому в ее ядре содержится очень много вещества. Энергия, выделившаяся при коллапсе, так велика, что внешняя оболочка звезды с огромной скоростью разлетается во все стороны от ядра, и звезда буквально взрывается в ослепительной вспышке. Такая звезда называется сверхновой. Сверхновая звезда. Или по-английски — «супернова». Корень «нова» взят, по-моему, из латинского языка. Такие внезапно вспыхнувшие звезды наблюдали еще в древние времена. Людям казалось, что звезда зажглась на том месте, где раньше ничего не было, и поэтому называли ее новой звездой, считая, что она только что родилась. Так это выглядело. На самом же деле звезда была на этом месте, но недостаточно яркая для наблюдения. Зато после взрыва сверхновые становились настолько яркими, что некоторые из них описаны в древних летописях. Звезда становится сверхновой, когда она достаточно массивна для коллапса ядра, потому что только тогда может выделиться то огромное количество энергии, которое с невероятной скоростью выбросит в пространство оболочку звезды. Чтобы представить это количество энергии, учтите, что сверхновая звезда на какое-то время может затмить целую галактику, хотя в этой галактике имеются сотни миллиардов звезд. Или другое сравнение: за краткий период времени коллапса сверхновая выделяет примерно такое же количество энергии, как Солнце за все время жизни. Так что это действительно из ряда вон выходящее событие. Кроме того, вещество внешней оболочки звезды «выстреливает» в пространство со скоростью, составляющей ощутимую долю от скорости света — более 10 процентов, или около 30 тысяч километров в секунду. Это почти длина земного экватора, и вещество звезды пролетает такое расстояние за секунду. Из-за такой чудовищной энергетики сверхновые можно регистрировать даже в очень далеких галактиках. Теперь поговорим о массе звезды, достаточной для превращения ее в сверхновую. Здесь можно дать только приблизительную оценку, мы пока не знаем точных пределов. Если исходная звезда… Исходная звезда имеет массу примерно от 9 до 20 солнечных, то она проэволюционирует до сверхновой, и после взрыва ее ядро превратится в то, что мы называем нейтронной звездой. Ее вещество сжимается до тех пор, пока гравитационное давление не уравновесится давлением вырожденных нейтронов, подобно тому, как раньше это было с электронами. Обычно это происходит по достижении звездой размера около 15 км в диаметре. Чтобы вы могли себе это представить: звезда массой порядка двух солнечных масс, а точнее, от полутора до трех солнечных масс, превратившись в нейтронную, займет объем сферы диаметром порядка 10 километров. Это приблизительно размер среднего города. Это приблизительно размер среднего города. Зная, насколько Солнце по размеру больше Земли и насколько сама Земля больше одного города, вам будет легче представить, с какой невероятной плотностью упаковано вещество нейтронной звезды, тем более, что на самом деле в сфере размером с город будет упакована масса даже больше, чем масса Солнца. Это действительно колоссальная, ни с чем не сравнимая плотность, поэтому их гравитационное поле невероятно сильное. Если бы уронить на поверхность нейтронной звезды камешек в 1 г с высоты всего 1 м, то, падая, он успел бы разогнаться до скорости более 100 тысяч километров в секунду. Если же исходная звезда обладает массой более 20 солнечных, то даже давление вырожденных нейтронов не в силах остановить ее дальнейший гравитационный коллапс, и в результате вспышки сверхновой образуется черная дыра. Об этом можно сделать множество сюжетов. Ведь на самом деле наука не знает в точности, что происходит внутри черной дыры. После превращения в черную дыру вещество звезды оказывается стянутым в бесконечно малую и бесконечно плотную точку. Это очень трудно себе представить. Попробуйте вообразить звезду массой даже более трех солнечных, сжатую до размеров бесконечно малой точки. Ведь это невозможно большое количество вещества. Теперь я покажу вам несколько иллюстраций. На первой фотографии остаток сверхновой звезды, известный под названием Крабовидная туманность. Она находится на расстоянии примерно 6500 световых лет от земли. Учитывая, что размеры нашей Галактики примерно 100 тысяч световых лет в диаметре, это не так уж далеко, но в действительности это огромное расстояние. Ближайшая к нам звезда расположена в четырех световых годах, и, например, «Вояджер», двигаясь со скоростью 60 тысяч километров в час, достигнет ее через 80 тысяч лет. Так что даже 4 световых года — это очень далеко для нас, а здесь 6500 световых лет. Здесь, в центре туманности остатки сверхновой звезды, которая вспыхнула, как полагают, около тысячи лет назад, так что на этом снимке можно увидеть нейтронную звезду. Облако вокруг нее — разбросанное ударной волной вещество внешней оболочки звезды, которое все еще движется, разлетаясь в стороны, в течение тысячи лет. Диаметр сферы, образованной продуктами взрыва, около 6 световых лет, то есть размер видимого на снимке объекта — 6 световых лет. Такое огромное облако, образованное ударной волной от взрыва. Существует гипотеза, согласно которой наша Солнечная система некогда начала конденсироваться из газопылевого облака, получив импульс от ударной волны сверхновой звезды, взорвавшейся по соседству. И чтобы ответить на другой вопрос, наспех сформулированный, кажется, в конце последнего сюжета: нет, это все еще известно неточно. Как уже говорилось, в ядрах массивных звезд образуются элементы вплоть до железа и никеля. Поэтому очевидно, что после взрыва звезды эти элементы с остатками ее вещества разлетаются по Вселенной, и какая-то частица их может содержаться в наших собственных телах. Фактически жизнь на Земле не могла бы существовать без тяжелых элементов, образовавшихся в недрах первичных звезд, которые давным-давно погибли во вспышках сверхновых звезд. А как вы думаете, каким образом появились еще более тяжелые элементы, все эти остальные клетки периодической таблицы? Элементы тяжелее железа появляются в результате реакций, которым нужна энергетическая подпитка. И ее обеспечивает собственно взрыв сверхновой звезды. Во время взрыва множество частиц летят навстречу друг другу: одни — наружу от ядра звезды под действием ударной волны, другие — внутрь под действием гравитации. В результате их столкновений образуется множество различных элементов. Сверхновые помогают образованию элементов тяжелее железа. В дальнейших сюжетах я расскажу об этом больше, а пока сообщу лишь, что, например, практически весь имеющийся на Земле уран почти наверняка образовался во время взрыва одной из сверхновых, по крайней мере, так считает современная наука. Скорее всего, это случилось около 4,6 миллиарда лет назад — эта дата вычислена на основе данных о периоде полураспада урана (я собираюсь сделать об этом сюжет). Вот почему считается, что наша Солнечная система сформировалась в результате действия взрыва какой-то сверхновой звезды. Поэтому уран должен был бы образоваться примерно в одно время с Солнечной системой. Надеюсь, вас это заинтересовало. Это чрезвычайно занимательный снимок. Если вы заглянете в Википедию и найдете статью о Крабовидной туманности, кликните на снимок, чтобы увеличить его: сложная и запутанная структура этого изображения, которую так интересно разглядывать, заинтересует вас еще больше. Subtitles by the Amara.org community