Сверхновая — взрыв звезды¶
Сверхновая — массивная звезда, завершающая эволюцию катастрофическим взрывом, при котором светимость возрастает в миллиарды раз, а затем звезда коллапсирует в нейтронную звезду или чёрную дыру. Термин происходит от латинского stella nova — «новая звезда»; в русской астрономической традиции закрепилось название «взрыв сверхновой звезды». Сверхновые делятся на два принципиально разных типа — Ia и II — с разными механизмами взрыва и разными астрофизическими последствиями.
¶Типы сверхновых
¶Сверхновые типа Ia
Возникают в тесных двойных системах, где белый карлик аккрецирует вещество со звезды-компаньона. Когда масса белого карлика приближается к пределу Чандрасекара (около 1,4 солнечной массы), термоядерный взрыв разрушает звезду целиком. Альтернативный канал — слияние двух белых карликов. Взрыв типа Ia всегда примерно одинаков по энергии, поэтому такие сверхновые используются как «стандартные свечи» для измерения космологических расстояний.
¶Сверхновые типа II
Происходят от массивных звёзд (более восьми солнечных масс), у которых после выгорания ядерного топлива обрушивается железное ядро. Взрыв выбрасывает внешние слои звезды, а ядро сжимается в нейтронную звезду или чёрную дыру. К этому же типу относят сверхновые Ib и Ic — взрывы звёзд, потерявших водородную (Ib) или водородную и гелиевую (Ic) оболочки.
¶Механизм взрыва
В массивной звезде на поздних стадиях эволюции в ядре последовательно синтезируются элементы — от водорода до железа. Железо не может служить топливом: его ядерная связь максимальна, и синтез на нём не выделяет энергии. Когда ядро заполняется железом, оно теряет давление и коллапсируется за доли секунды. Плотность ядра достигает ядерной, и вещество становится практически несжимаемым. Внешние слои падают на ядро с околосветовой скоростью, отскакивают и образуют ударную волну, которая разрывает звезду. Около 99 % энергии уносит нейтрино — их количество за несколько секунд сравнимо с суммарным светом всех звёзд наблюдаемой Вселенной.
¶Наблюдаемые сверхновые
В Млечном Пути сверхновые наблюдались редко. Самая известная — SN 1054, взорвавшаяся в 1054 году: от неё остался Крабовидная туманность с пульсаром в центре. Взрыв был виден днём около двух лет. SN 1572 (Тихо Брахе) и SN 1604 (Иоганна Кеплера) стали поворотными моментами в астрономии — они показали, что космос не неизменен.
Внегалактические сверхновые обнаруживаются регулярно. В 1987 году в Большом Магеллановом Облаке взорвалась SN 1987A — ближайшая за четыре столетия. Её нейтрино зафиксировали подземные детекторы в Японии и США, что стало первым прямым подтверждением механизма коллапса ядра.
¶Сверхновые как космические ускорители
Сверхновые — основной источник тяжёлых элементов во Вселенной. В ударной волне и в выброшенном веществе идёт процесс нуклеосинтеза: образуются элементы тяжелее железа — кальций, кремний, никель, кобальт, золото, уран. Практически весь кислород в атмосфере Земли и весь кальций в костях — продукты взрывов сверхновых, произошедших до образования Солнечной системы.
Сверхновые типа Ia используются в космологии для измерения расстояний. В 1998 году наблюдения удалённых сверхновых этого типа показали, что расширение Вселенной ускоряется — открытие, отмеченное Нобелевской премией по физике 2011 года.
¶Что остаётся после взрыва
В зависимости от массы звезды-предшественницы после взрыва остаётся нейтронная звезда (диаметром около 20 км, плотностью сопоставимой с ядерной) или чёрная дыра. Нейтронные звёзды с вращением и магнитным полём проявляются как пульсары — источники регулярных импульсов излучения. Крабовидная туманность — классический пример остатка сверхновой с активным пульсаром.
¶Сверхновые в истории астрономии
До XX века сверхновые не отличали от обычных новых звёзд. В 1930-х годах Уолтер Бааде и Фриц Цвикки ввели термин «сверхновая» и предположили, что это особый класс катастрофических взрывов. В 1939 году Уильям Фаулер совместно с Цвикки рассчитал механизм взрыва и образование нейтронных звёзд. В 1967 году Джосселин Белл и Энтони Хьюиш открыли первые пульсары, подтвердив существование нейтронных звёзд.
¶Исследования в России
Российские астрономы вносят вклад в изучение сверхновых. Институт астрономии РАН ведёт программы поиска сверхновых в галактиках. Телескоп БТА (Большой телескоп АЗТ-33И) на Северном Кавказе используется для спектральных наблюдений сверхновых. Физико-технический институт в Долгопрудном и Институт ядерных исследований РАН участвуют в нейтринных экспериментах, фиксирующих сигналы от взрывов сверхновых в других галактиках.
Источники:
- Баженов Б. В. «Астрофизика: курс лекций»
- Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. «Релятивистская астрофизика и физика элементарных частиц»
- Фриц Цвикки, Уолтер Бааде. Публикации в Astrophysical Journal, 1934—1937
- Каталог сверхновых IAU Transient Object Confirmation Page
- Нобелевская премия по физике 2011 года — научное обоснование