Сверхновая звезда: что это такое, как происходит взрыв и что остаётся после него

Сверхновая — это мощный взрыв, которым заканчивается жизнь некоторых звёзд. За несколько секунд во время такой вспышки выделяется больше энергии, чем Солнце излучит за всё время своего существования.

Масштаб такого взрыва трудно представить. Иногда сверхновая на короткое время становится ярче целой галактики, хотя в ней могут находиться сотни миллиардов звёзд. Поэтому такие вспышки астрономы наблюдают даже в далёких галактиках.

Сверхновые появляются по двум сценариям. Первый связан с гибелью очень массивной звезды, второй — со взрывом белого карлика в двойной звёздной системе.

Коллапс массивной звезды

Массивные звёзды, которые тяжелее Солнца примерно в восемь раз, к концу своей жизни превращаются в красных сверхгигантов. Пока в их ядре продолжается термоядерный синтез, выделяющаяся энергия удерживает звезду от сжатия под действием собственной гравитации.

Но однажды топливо заканчивается. В центре звезды накапливается железо, а из него уже нельзя получить энергию с помощью термоядерных реакций. Давление внутри звезды резко падает, и гравитация начинает стремительно сжимать её ядро.

Этот процесс называется гравитационным коллапсом. Он занимает меньше секунды. После коллапса в центре звезды остаётся нейтронная звезда или, если её масса была очень большой, чёрная дыра. Одновременно возникает мощная ударная волна, которая разрывает внешние слои звезды и выбрасывает их в космос.

Хотя сам коллапс происходит почти мгновенно, вспышка сверхновой длится намного дольше. Яркое свечение может продолжаться недели и даже месяцы, а остатки взрыва расширяются ещё тысячи лет. Именно их и наблюдают астрономы.

Термоядерный взрыв белого карлика

Второй сценарий происходит в двойной звёздной системе, где рядом обращаются две звезды. Одна из них — белый карлик, плотный остаток звезды, которая уже завершила свою эволюцию.

Если рядом находится звезда-компаньон, белый карлик постепенно притягивает к себе её вещество. Когда его масса достигает предела Чандрасекара — около 1,4 массы Солнца, температура и давление внутри становятся настолько высокими, что начинается неконтролируемая термоядерная реакция. В отличие от предыдущего сценария, белый карлик разрушается полностью. После такого взрыва не остаётся ни нейтронной звезды, ни чёрной дыры.

Такие сверхновые называют сверхновыми типа Ia. Они могут возникать по разным сценариям, но их вспышки очень похожи друг на друга. Поэтому их яркость можно довольно точно определить. Благодаря этому астрономы используют сверхновые типа Ia как «стандартные свечи» — ориентиры, с помощью которых измеряют расстояния до далёких галактик. Именно наблюдения таких сверхновых помогли открыть, что Вселенная расширяется с ускорением. За это открытие в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Хотя астрономы выделяют несколько типов сверхновых, чаще всего говорят о двух основных — Ia и II. Их главное отличие — в причине взрыва и в том, что остаётся после него.

Солнце сверхновой не станет. Его масса слишком мала, чтобы пережить гравитационный коллапс. Через несколько миллиардов лет оно сбросит внешние оболочки и превратится в белый карлик.

Не стоит путать сверхновую и новую звезду. Новая — это вспышка на поверхности белого карлика. После неё звезда остаётся целой и со временем может вспыхнуть снова.

Отдельно выделяют сверхсветовые сверхновые — самые яркие из известных. Они могут светить в десятки раз ярче обычных сверхновых, а причины такой огромной светимости учёные до конца ещё не выяснили. По одной из гипотез, дополнительную энергию им передаёт магнетар — молодая нейтронная звезда с чрезвычайно сильным магнитным полем.

Хотя в нашей Галактике сверхновые вспыхивают примерно раз в несколько десятков лет, во всей наблюдаемой Вселенной такие события происходят постоянно. По современным оценкам, каждую секунду возникают от нескольких десятков до сотен сверхновых.

За последнюю тысячу лет люди всего несколько раз наблюдали сверхновые невооружённым глазом. Каждая такая вспышка становилась важным событием не только для современников, но и для науки. Благодаря историческим записям и современным телескопам астрономы смогли восстановить историю этих космических катастроф.

SN 1006

Самой яркой сверхновой, которую когда-либо видел человек, считается SN 1006. Она вспыхнула в мае 1006 года. Это событие подробно описали арабские, китайские и японские астрономы, а упоминания о необычной звезде сохранились и в некоторых европейских хрониках.

SN 1006 находилась примерно в 7200 световых годах от Земли. Её видимая звёздная величина достигала −7,5, поэтому вспышка была примерно в 250 раз ярче Сириуса — самой яркой звезды ночного неба. Сверхновую можно было наблюдать без телескопа не менее двух с половиной лет.

Сегодня на месте взрыва находится расширяющийся остаток сверхновой в созвездии Волка. Его продолжают изучать с помощью наземных и космических телескопов.

SN 1987A и современные рекордсмены

В феврале 1987 года астрономы зарегистрировали SN 1987A — ближайшую к Земле сверхновую за последние несколько столетий. Она вспыхнула в Большом Магеллановом Облаке, галактике-спутнике Млечного Пути, примерно в 170 тысячах световых лет от Земли.

Жители Южного полушария могли наблюдать вспышку без телескопов. Для учёных это событие оказалось особенно ценным: впервые удалось зарегистрировать нейтрино, прилетевшие от сверхновой. Их обнаружили ещё до того, как ударная волна достигла поверхности звезды и она стала ярко светиться. Эти наблюдения подтвердили современные представления о том, как происходит коллапс массивных звёзд.

Среди современных рекордсменов часто упоминают ASASSN-15lh. После открытия её считали самой яркой сверхсветовой сверхновой: в максимуме она излучала примерно в 570 миллиардов раз больше света, чем Солнце. Однако позже появились данные, что этот объект мог быть вовсе не сверхновой, а результатом разрушения звезды сверхмассивной чёрной дырой. Поэтому его природа до сих пор остаётся предметом научных споров.

Самой энергетически мощной подтверждённой сверхновой сейчас считается SN 2016aps. Её изучение помогает астрономам понять, как взрываются самые массивные звёзды и почему некоторые сверхновые выделяют настолько огромное количество энергии.

Взрыв сверхновой — это не только конец жизни звезды, но и начало новых процессов во Вселенной. После него может остаться нейтронная звезда, чёрная дыра или огромное облако газа и пыли. Именно эти остатки помогают учёным понять, как устроены звёзды и как со временем меняются галактики.

Нейтронная звезда или чёрная дыра

После коллапса массивной звезды её ядро не исчезает. Если его масса сравнительно невелика, образуется нейтронная звезда — один из самых необычных объектов во Вселенной. При диаметре около 20 километров она может иметь массу больше солнечной. Её вещество настолько плотное, что чайная ложка такого материала на Земле весила бы миллиарды тонн.

Некоторые нейтронные звёзды быстро вращаются и испускают регулярные радиоимпульсы. Такие объекты называют пульсарами. Самый известный пример — пульсар в центре Крабовидной туманности. Она осталась после сверхновой, которую наблюдали астрономы в 1054 году.

Если же ядро оказывается слишком массивным, оно продолжает сжиматься и превращается в чёрную дыру — область пространства, гравитация которой настолько сильна, что её не может покинуть даже свет.

Отдельную группу составляют магнетары — нейтронные звёзды с исключительно сильным магнитным полем. Учёные считают, что именно они могут быть источником дополнительной энергии некоторых сверхсветовых сверхновых.

Туманности и атомы в твоём теле

Во время взрыва внешние оболочки звезды разлетаются во все стороны, образуя остаток сверхновой — расширяющееся облако газа и пыли. Ударная волна сжимает окружающее межзвёздное вещество и может запускать образование новых звёзд. Насколько часто это происходит, учёные до сих пор изучают, но такой механизм считается одним из возможных.

Сверхновые помогают распространять по Вселенной химические элементы, которые образовались внутри звезды ещё до взрыва. Кроме того, во время самой вспышки возникают многие тяжёлые элементы. Однако не все элементы тяжелее железа появляются именно в сверхновых. Современные исследования показывают, что значительная часть золота, платины, урана и некоторых других тяжёлых элементов образуется при слиянии нейтронных звёзд, где происходят особые ядерные процессы.

Получается, что буквально каждый человек состоит из звёздного вещества. Железо в крови, кальций в костях, кислород, которым мы дышим, и многие другие химические элементы когда-то были частью древних звёзд, а затем оказались в составе Солнечной системы.

Когда говорят о будущей сверхновой в нашей Галактике, чаще всего вспоминают Бетельгейзе — красный сверхгигант в созвездии Ориона. Звезда находится в 597–689 световых годах от Земли и уже находится на позднем этапе своей эволюции. Это значит, что когда-нибудь Бетельгейзе действительно завершит жизнь взрывом сверхновой, но определить, когда именно это произойдёт, современная наука пока не может.

В конце 2019 года Бетельгейзе неожиданно начала быстро тускнеть. Это событие получило название «Великое потускнение». Тогда многие предположили, что звезда вот-вот взорвётся. Позже астрономы выяснили, что причина была совсем другой. Бетельгейзе выбросила большое облако газа, которое, остыв, превратилось в пыль и временно закрыло часть её поверхности. Поэтому Великое потускнение не оказалось предвестником сверхновой.

По современным оценкам, взрыв может произойти в течение ближайших примерно 100 тысяч лет, хотя не исключено, что ждать придётся гораздо дольше. По меркам звёзд это совсем небольшой срок, а по человеческим — практически вечность.

Может ли взрыв сверхновой уничтожить жизнь на Земле? Теоретически — да, если звезда окажется достаточно близко. Мощное ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение способно повредить атмосферу Земли и ослабить её озоновый слой.

Учёные пока не пришли к единому мнению, какое расстояние можно считать безопасным. В разных исследованиях называются значения от нескольких десятков до примерно 160 световых лет. Всё зависит от типа сверхновой и того, как именно её излучение взаимодействует с атмосферой планеты.

К счастью, Бетельгейзе находится намного дальше. Если она взорвётся, мы увидим одну из самых ярких вспышек в истории наблюдений, но никакой опасности для нашей планеты не будет.

Сегодня среди известных кандидатов в сверхновые нет звёзд, расположенных настолько близко, чтобы их будущий взрыв угрожал Земле. Астрономы постоянно следят за такими объектами с помощью автоматических обзоров неба, например ASAS-SN и Zwicky Transient Facility (ZTF). Кроме того, по всему миру работают нейтринные детекторы. Если в нашей Галактике произойдёт взрыв сверхновой, они смогут зарегистрировать поток нейтрино за несколько часов до того, как вспышка станет видна в телескопы. Это даст учёным время заранее подготовить крупнейшие обсерватории к наблюдениям.

Сверхновые — это не только грандиозные космические взрывы, но и важная часть эволюции Вселенной. Они завершают жизнь одних звёзд, дают начало другим и помогают учёным лучше понять устройство космоса. Современные телескопы ежегодно открывают десятки новых сверхновых, поэтому исследования этих объектов продолжаются. Каждая новая вспышка помогает узнать больше о том, как рождаются и умирают звёзды.