38. Сверхновые звезды

Задача №42. Из соображений размерности найти закон расширения оболочки сверхновой. Указание: считать, что расширение оболочки, есть следствие сильного взрыва энергии E; рассмотреть стадию, когда можно пренебречь массой оболочки, нагребенной из межзвездного газа (приближение точечного взрыва), а также давлением газа, по которому распространяется оболочка.

Ответ : радиус оболочки r , где   плотность окружающего межзвездного газа, t  время.

Задача №43. Предложите метод оценки возраста сверхновой звезды.

Задача №44. Оценить температуру газа в оболочке сверхновой с

параметрами эрг, r ~ 10 пс. Средняя концентрация межзвездного газа .

Ответ : К.

Сверхновые (СН) играют чрезвычайную роль в жизни галактик. При вспышке СН в течение нескольких месяцев выделяется огромное количество энергии порядка 10⁵⁰10⁵¹ эрг. Чтобы выделить такое количество энергии, Солнцу потребуется 110 млрд. лет! Поэтому светимость СН в максимуме блеска сравнима со светимостью галактик, содержащих миллиарды звезд. Сказанное иллюстрирует рис. 50, на котором приведены два снимка галактикиспутника Млечного Пути Большого Магеланова Облака накануне и сразу после вспышки знаменитой сверхновой 1987 А (цифры указывают год события, буквенный индекс идентифицирует порядковый номер события в указанном году).

Взрыв СН  это катастрофический процесс. Продукты взрыва звезды разлетаются с огромными скоростями, порядка 1020 тыс. кмс^-1. Этим взрыв СН радикально отличается от сброса ПТ красным гигантом, который происходит в спокойном режиме. Таким образом, при взрыве СН в галактику поставляется тепловая и механическая энергия. В разлетающихся оболочках СН происходит ускорение заряженных частиц. Тем самым, СН являются также источником космических лучей. Наконец, взрыв СН обогащает межзвездный газ тяжелыми элементами.

За последние тысячу лет в нашей Галактике наблюдались 6 сверхновых. Самая знаменитая из них  сверхновая 1054 года, на месте которой находится Крабовидная туманность (рис. 51). Исследования показали, что частота вспышек СН в различных галактиках различная. В некоторых галактиках СН вспыхивают с промежутком в несколько лет. Частота появления СН в нашей Галактике примерно 1 вспышка 30100 лет.

Остановимся на проблеме: почему взрываются СН ? Чтобы понять эту проблему, следует ответить на два вопроса: I) что является источником энергии взрыва и 2) каков механизм быстрого ее высвобождения?

Источник энергии СН, очевидно, - термоядерный взрыв. Однако совершенно ясно, что это не может быть реакция горения водорода. В самом деле, как уже говорилось выше. Солнцу потребуется порядка нескольких миллиардов лет, чтобы обеспечить такое количество энергии, которое освобождается при вспышке СН. И ускорить этот процесс невозможно, так как в цепочке реакций горения водорода есть звено, включающее распад. А это спонтанный процесс, скорость которого обуславливается только внутренними свойствами ядер, и он не может быть ускорен внешними условиями.

Энергетику СН могли бы обеспечить реакции на более тяжелых элементах, таких как C, O и некоторых других. В самом деле, удельный энергетический выход реакций на них порядка 510¹⁷ эргг^-1. При сгорании этих элементов выделится ~10⁵⁰ эрг  это типичное энерговыделение СН. Следовательно, ТЯР на углероде и кислороде могут служить источником энергии СН. Но тогда возникают два вопроса. Во-первых, каково происхождение этих элементов в звезде? Ведь звезды рождаются из вещества, имеющего приблизительно солнечный химический состав. При массе предсверхновой в несколько масс Солнца относительное содержание указанных элементов должно быть, по крайней мере, несколько процентов, что резко отличается от солнечного (напомним, что на долю всех элементов, тяжелее водорода и гелия, на Солнце приходится всего лишь один процент массы). Во-вторых, что является детонатором, поджигающим реакции горения этих элементов? Ведь для этого требуется температура порядка нескольких миллиардов градусов.

Углерод, кислород и некоторые другие более тяжелые элементы  это следующее поколение элементов, которые образуются в звезде после выгорания гелия (из сказанного ясно, почему в качестве энергоносителей обсуждаются именно они). Однако для того, чтобы в звезде "сварилось" достаточное количество этих элементов, она должна далеко продвинуться в своей эволюции. Но это может произойти только с массивной звездой, масса которой существенно превышает массу Солнца. Отметим также, что требование большой массы предка сверхновой вытекает еще и из того факта, что звезда должна сохранить достаточное количество горючего после сбросов планетарных туманностей на стадиях выгорания водорода и гелия и в результате звездного ветра. Итак, мы приходим к выводу, что взорваться как сверхновая может лишь массивная звезда. Как уже говорилось в § 36 начальная масса ее должна превышать примерно .

Что же детонирует взрыв СН? Очевидно, для этого звезда должна сильно разогреться. Но это может произойти лишь вследствие ее сжатия, то есть должно нарушиться равновесие в звезде. Какая же причина вызывает катастрофическое сжатие звезды? Таких причин может быть несколько. Одна из них  это образование в недрах звезды железного ядра. Почему именно железного? Как известно, ядро железа обладает замечательным свойством: энергия связи нуклонов в ядре Fe в расчете на один нуклон максимальная (см. рис. 52). Это означает, что термоядерные реакции с выделением энергии в звездах идут только до образования железа. В самом деле, из рис. 52 видно, что как реакция диссоциации железа, так и реакции образования более тяжелых ядер требуют затрат энергии. Поэтому с образованием железа выделение энергии в ядре звезды прекращается. Следовательно, оно теряет свою устойчивость и начинает сжиматься. Гравитационная энергия, выделяющаяся при сжатии ядра звезды, идет на диссоциацию железа.

Другая причина потери устойчивости звезды  излучение нейтрино. Исследования показывают, что при температуре свыше миллиарда градусов подавляющая часть энергии уносится нейтрино. Как уже отмечалось, нейтрино крайне слабо взаимодействуют с веществом. Для них звезда совершенно прозрачная. За счет излучения нейтрино недра звезды будут интенсивно охлаждаться. Это также приведет к нарушению равновесия.^

Согласно расчетам катастрофическое сжатие звезды длится не долго, возможно, секунды. К концу этого отрезка времени железо в ядре звезды в основном диссоциирует, и "холодильник" отключается. Поэтому температура в ядре звезды повышается, и сжатие его останавливается.

Описанные процессы происходят настолько быстро, что мантия звезды, обогащенная C, O и другими элементами, не успевает подстраиваться под сжатие ядра. Она обрушивается под действием силы тяжести на ядро. В ней возникает мощная ударная волна, вследствие чего происходит сильнейший разогрев вещества и взрыв.

Таким в общих чертах представляется сценарий вспышки сверхновой.

Чрезвычайно важным событием стала вспышка СН 1987 А. Это первая достаточно близкая сверхновая (расстояние до нее оценивается примерно в 50 кпс), взорвавшаяся в нашу эпоху. Исследования ее буквально во всем диапазоне длин волн электромагнитного излучения, а также нейтринного излучения велись с самых ранних стадий ее развития. Благодаря этому получен огромный наблюдательный материал, что пролило свет на природу взрыва СН. С помощью архивных данных история предсверхновой 1987 А прослежена примерно за сто лет. Оказалось, что это массивная звезда, с массой . Измерения скоростей расширяющейся оболочки показали, что скорость разлета ее в момент взрыва порядка 4010³ кмс^-1. Незадолго до оптической вспышки зарегистрированы нейтринные импульсы. Как и ожидалось, на месте СН родился пульсар (оптический)^ с экстремально коротким периодом ~510^-4 с (предыдущий рекордсмен имел период в три раза больше). Впрочем, пульсар был виден непродолжительное время и затем исчез. По-видимому, его заслонило облако движущегося газа. Исследования этой сверхновой продолжаются. Отметим, что в ее спектре действительно обнаружены линии железа.