Наднові зірки

Що ви знаєте про наднові зірки? Напевно, скажете, що наднова зірка є грандіозним вибухом зірки, на місці якої залишається нейтронна зірка або чорна діра.

Не лише вибухи зірок

Однак насправді не всі найновіші є кінцевою стадією життя масивних зірок. Під сучасну класифікацію наднових вибухів, крім вибухів надгігантів, входять деякі інші явища.

Нові та наднові

SN 1604 або Наднова Кеплера

Термін "наднова" перекочував від терміна "нова зірка". "Новими" називали зірки, які виникали на небосхилі практично на порожньому місці, після чого поступово згасали. Перші «нові» відомі ще за китайськими літописами, що датуються аж до другого тисячоліття до нашої ери. Що цікаво, серед цих нових нерідко зустрічалися наднові. Наприклад, саме наднову 1571 року спостерігав Тихо Браге, який згодом увів термін «нова зірка». Зараз нам відомо, що в обох випадках не йдеться про народження нових світил у буквальному розумінні.

Нові та наднові зірки позначають різке збільшення яскравості будь-якої зірки або групи зірок. Як правило, раніше люди не мали змоги спостерігати зірки, які породжували ці спалахи. Це були надто тьмяні об'єкти для неозброєного ока чи астрономічного приладу тих років. Їх спостерігали вже в момент спалаху, що природно було схоже на народження нового світила.

Незважаючи на схожість цих явищ, у наші дні існує різка відмінність у їх визначеннях. Пікова світність наднових зірок у тисячі і сотні тисяч разів більша за пікову світність нових.Така розбіжність пояснюється важливою відмінністю природи цих явищ.

Народження нових зірок

Наднова спалахнула 1604 року

Нові спалахи є термоядерними вибухами, що відбуваються у деяких тісних зоряних системах. Такі системи складаються з білого карлика та більшої зірки-компаньйону (зірки головної послідовності, субгіганта чи гіганта). Могутнє тяжіння білого карлика притягує речовину із зірки-компаньйона, у результаті навколо нього утворюється акреційний диск. Термоядерні процеси, що відбуваються в акреційному диску, часом втрачають стабільність і набувають вибухового характеру.

Внаслідок такого вибуху яскравість зіркової системи збільшується у тисячі, а то й у сотні тисяч разів. Так відбувається народження нової зірки. Досі тьмяний, а то й невидимий для земного спостерігача об'єкт набуває помітної яскравості. Як правило, свого піку такий спалах досягає всього за кілька днів, а загасати може роками. Нерідко такі спалахи повторюються в однієї й тієї системи раз на кілька десятиліть, тобто. є періодичними. Також навколо нової зірки спостерігається газова оболонка, що розширюється.

Наднові вибухи мають зовсім іншу і різноманітнішу природу свого походження.

Класифікація наднових

Наднові прийнято розділяти на два основні класи (I та II). Ці класи можна назвати спектральними, т.к. їх відрізняє присутність та відсутність ліній водню у їх спектрах. Також ці класи помітно вирізняються візуально. Усі наднові I класу схожі як у потужності вибуху, і по динаміці зміни блиску. Наднові ж II класу дуже різноманітні у плані.Потужність їхнього вибуху і динаміка зміни блиску лежить у досить широкому діапазоні.

Всі наднові II класи породжуються гравітаційним колапсом у надрах потужних зірок. Іншими словами, цей той самий, знайомий нам, вибух надгігантів. Серед наднових першого класу існують ті, механізм вибуху яких швидше схожий на вибух нових зірок.

Смерть надгігантів

Залишок наднової зірки W49B

Надновими стають зірки, маса яких перевищує 8-10 сонячних мас. Ядра таких зірок, вичерпавши водень, переходять до термоядерних реакцій за участю гелію. Вичерпавши гелій, ядро ​​переходить до синтезу більш важких елементів. У надрах зірки створюється дедалі більше верств, у кожному з яких відбувається свій тип термоядерного синтезу. У кінцевій стадії своєї еволюції така зірка перетворюється на «шаровий» надгігант. У його ядрі відбувається синтез заліза, тоді як ближче до поверхні продовжується синтез гелію з водню.

Злиття ядер заліза та більш важких елементів відбувається із поглинанням енергії. Тому, ставши залізним, ядро ​​надгіганта більше не здатне виділяти енергію для компенсації гравітаційних сил. Ядро втрачає гідродинамічний рівновагу і приступає до безладного стиску. Інші шари зірки продовжують підтримувати цю рівновагу, доки ядро ​​не стиснеться до якогось критичного розміру. Тепер гідродинамічна рівновага втрачають інші шари та зірка в цілому. Тільки в цьому випадку «перемагає» не стиск, а енергія, що виділила в ході колапсу та подальших безладних реакцій. Відбувається скидання зовнішньої оболонки – ось що таке надновий вибух.

Класові відмінності

Залишок наднової Кассіопея А

Різні класи та підкласи наднових пояснюються тим, якою зірка була до вибуху. Наприклад, відсутність водню у наднових I класу (підкласу Ib, Ic) є наслідок те, що водню був у самої зірки. Найімовірніше, частина її зовнішньої оболонки було втрачено під час еволюції у тісній подвійний системі. Спектр підкласу Ic відрізняється від Ib відсутністю гелію.

У будь-якому випадку наднові такі класи відбуваються у зірок, що не мають зовнішньої воднево-гелієвої оболонки. Інші ж шари лежать у досить строгих межах свого розміру та маси. Це тим, що термоядерні реакції змінюють одне одного з настанням певної критичної стадії. Тому вибухи зірок Ic та Ib класу такі схожі. Їхня пікова світність приблизно в 1,5 мільярда разів перевищує світність Сонця. Цю світність вони досягають за 2-3 дні. Після цього їхня яскравість у 5-7 разів слабшає за місяць і повільно зменшується в наступні місяці.

Зірки наднових II типу мали воднево-гелієву оболонку. Залежно від маси зірки та інших її особливостей ця оболонка може мати різні межі. Звідси пояснюються широкий діапазон у характерах наднових. Їхня яскравість може коливатися від десятків мільйонів до десятків мільярдів сонячних світимостей (виключаючи гамма-сплески – див. далі). А динаміка зміни яскравість має різний характер.

Трансформація білого карлика

Особливу категорію наднових складає спалахи Іа класу. Це єдиний клас найновіших зірок, який може відбуватися в еліптичних галактиках. Така особливість свідчить, що ці спалахи є продуктом смерті надгігантів. Надгіганти не доживають доти, як його галактики «старіють», тобто.стануть еліптичними. Також усі спалахи цього класу мають практично однакову яскравість. Завдяки цьому наднові Ia типу є «стандартними свічками» Всесвіту.

Вони виникають за іншою схемою. Як зазначалося раніше, ці вибухи за своєю природою чимось подібні до нових вибухів. Одна із схем їх виникнення передбачає, що вони також зароджуються в тісній системі білого карлика та його зірки-компаньйона. Проте, на відміну нових зірок, тут відбувається детонація іншого, більш катастрофічного типу.

У міру «пожирання» свого компаньйона, білий карлик збільшується в масі доти, доки не досягне межі Чандрасекара. Ця межа, приблизно рівна 1,38 сонячної маси, є верхньої межі маси білого карлика, після якого він перетворюється на нейтронну зірку. Така подія супроводжується термоядерним вибухом з колосальним виділенням енергії, що на багато порядків перевищує звичайний новий вибух. Практично незмінне значення межі Чандрасекара пояснює настільки мале розбіжність у яскравостях різних спалахів цього підкласу. Ця яскравість майже у 6 мільярдів разів перевищує сонячну світність, а динаміка її зміни така сама, як у наднових Ib, Ic класу.

Гіпернові вибухи

Гіперновими називають спалахи, енергія яких на кілька порядків перевищує енергію типових наднових. Тобто, по суті, вони гіпернові є дуже яскравими надновими.

Як правило, гіперновим вважається вибух надмасивних зірок, також званих гіпергігантами. Маса таких зірок починається з 80, нерідко перевищує теоретичну межу 150 сонячних мас.Також існують версії, що гіпернові зірки можуть утворюватися в ході анігіляції антиматерії, утворення кваркової зірки або зіткненням двох масивних зірок.

Наднова зірка GRB 080913

Примітними є гіпернові тим, що вони є основною причиною, мабуть, найенергоємніших і рідкісних подій у Всесвіті – гамма-сплесків. Тривалість гамма сплесків становить від сотих секунд до кількох годин. Але найчастіше вони тривають 1-2 секунди. За ці секунди вони випускають енергію, подібну до енергії Сонця за всі 10 мільярдів років її життя! Природа гамма-сплесків досі здебільшого залишається під сумнівом.

Батьки життя

Незважаючи на всю свою катастрофічність, наднові по праву можна назвати прабатьками життя у Всесвіті. Потужність їхнього вибуху підштовхує міжзоряне середовище на утворення газопилових хмар та туманностей, у яких згодом народжуються зірки. Ще одна їх особливість полягає в тому, що наднові насичують міжзоряне середовище важкими елементами.

Саме наднові породжують усі хімічні елементи, що важчі заліза. Адже, як зазначалося раніше, синтез таких елементів потребує витрат енергії. Тільки наднові здатні «зарядити» складові ядра та нейтрони на енерговитратне виробництво нових елементів. Кінетична енергія вибуху розносить їх по простору разом з елементами, що утворилися в надрах зірки, що вибухнула. До них входять вуглець, азот і кисень та інші елементи, без яких неможливе органічне життя.

Спостереження за надновими

Наднові вибухи є дуже рідкісними явищами. У нашій галактиці, що містить понад сотню мільярдів зірок, відбувається лише кілька спалахів за сторіччя.Згідно з літописними та середньовічними астрономічними джерелами, за останні дві тисячі років було зафіксовано лише шість наднових, видимих ​​неозброєним оком. Сучасним астрономам жодного разу не доводилося спостерігати наднових у нашій галактиці. Найближча відбулася в 1987 у Великій Магеллановій Хмарі, в одному із супутників Чумацького Шляху. Щороку вчені спостерігають до 60 наднових, що відбуваються в інших галактиках.

Саме через цю рідкість наднові практично завжди спостерігаються вже в момент спалаху. Події, що передували їй майже ніколи не спостерігалися, тому природа наднових досі багато в чому залишається загадковою. Сучасна наука не здатна досить точно спрогнозувати наднові. Будь-яка зірка-кандидат здатна спалахнути лише мільйони років. Найбільш цікава в цьому плані Бетельгейзе, яка має цілком реальну нагоду осяяти земне небо на нашому віці.

Всесвітні спалахи

Гамма спалах у галактиці 4C 71,07

Гіпернові вибухи трапляються ще рідше. У нашій галактиці така подія трапляється раз на сотні тисяч років. Однак, гамма-сплески, які породжуються гіперновими, спостерігаються майже щодня. Вони настільки потужні, що реєструються практично з усіх куточків Всесвіту.

Наприклад, один із гамма-сплесків, розташованих у 7,5 мільярдів світлових років, можна було розглянути неозброєним оком. Відбутися він у галактиці Андромеда, земне небо на кілька секунд висвітлила зірка з яскравістю повного місяця. Відбутися він на іншому краю нашої галактики, на тлі Чумацького Шляху з'явилося друге Сонце! Виходить, яскравість спалаху в квадрильйони враз яскравіше Сонця і в мільйони разів яскравіше нашої Галактики.Зважаючи на те, що галактик у Всесвіті мільярди, не дивно, чому такі події реєструються щодня.

Вплив на нашу планету

Малоймовірно, що наднові можуть загрожувати сучасному людству і якимось чином вплинути на нашу планету. Навіть вибух Бетельгейзе лише висвітлить наше небо на кілька місяців. Однак, безумовно, вони вирішально впливали на нас у минулому. Прикладом цього є перше з п'яти масових вимирань Землі, що відбулися 440 млн. років тому вони. За однією з версій причиною цього вимирання став гамма-спалах, що стався в нашій Галактиці.

Найбільш примітна зовсім інша роль наднових. Як зазначалося, саме наднові створюють хімічні елементи, необхідні появи вуглецевого життя. Земна біосфера була винятком. Сонячна система сформувалася в газовій хмарі, яка містила уламки колишніх вибухів. Виходить, ми всі зобов'язані надновою своєю появою.

Матеріали на тему

Вибух Бетельгейзе

Понад те, наднові й надалі впливали еволюцію життя Землі. Підвищуючи радіаційне тло планети, вони змушували організми мутувати. Не варто також забувати про великі вимирання. Напевно, наднові не раз «вносили корективи» в земну біосферу. Адже якби не було тих глобальних вимирань, на Землі б зараз панували зовсім інші види.

Масштаби зіркових вибухів

Щоб наочно зрозуміти, яку енергію мають наднові вибухи, звернімося до рівняння еквівалента маси та енергії. Згідно з ним, у кожному грамі матерії укладено колосальну кількість енергії. Так 1 грам речовини еквівалентний вибуху атомної бомби, підірваної над Хіросімою. Енергія цар-бомби еквівалента трьом кілограмам речовини.

Кожну секунду під час термоядерних процесів у надрах Сонця 764 мільйони тонн водню перетворюється на 760 мільйонів тонн гелію. Тобто. кожну секунду Сонце випромінює енергію, еквівалентну 4 млн. тонн речовини. Лише одна двомільярдна частина всієї енергії Сонця сягає Землі, це еквівалентно двом кілограмам маси. Тому кажуть, що вибух царя-бомби можна було спостерігати з Марса. До речі, Сонце доставляє на Землю кілька сотень разів більше енергії, ніж споживає людство. Тобто щоб покрити річні енергетичні потреби всього сучасного людства потрібно перетворювати на енергію лише кілька тонн матерії.

Враховуючи вищесказане, уявімо, що середня наднова у своєму піку «спалює» квадрильйони тон речовини. Це відповідає масі великого астероїду. Повна ж енергія наднової еквівалентна масі планети чи навіть маломасивної зірки. Зрештою, гамма-сплеск за секунди, а то й за частки секунди свого життя, виплескує енергію, еквівалентну масі Сонця!

Такі різні наднові

Термін «надновий» не повинен асоціюватися виключно з вибухом зірок. Ці явища, мабуть, також різноманітні, як різноманітні самі зірки. Науці тільки доведеться зрозуміти багато їхніх секретів.