Notice: Undefined offset: 34 in /var/www/www-root/data/www/374.ru/tpl_text/text_picture.php on line 73
 |
| Гибель звёзд |
С тех пор прошло полвека, Вусли повзрослел и получил образование — ныне он астроном Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Но он по-прежнему имеет дело со взрывами — только несравнимо более мощными. Он изучает едва ли не самые грандиозные взрывы, которые знала Вселенная с момента своего возникновения. Речь идет о вспышках сверхновых — разрушительной гибели звезд.
Сверхновых во Вселенной множество. Они вспыхивают примерно раз в несколько секунд, обычно в какой-нибудь невообразимо далекой галактике. Сияние сверхновой сравнимо по яркости со светом сотен миллиардов звезд. В момент взрыва образуется огромный огненный шар, расширяющийся и остывающий на протяжении многих месяцев.
Нам везет — вблизи Солнца взрывы сверхновых происходят редко. Последняя такая вспышка в нашей галактике случилась в 1604 году, произведя неизгладимое впечатление на Иоганна Кеплера, одного из основоположников современной астрономии. Ее сияние в ночном небе не уступало блеску Юпитера. Взорвись сверхновая на расстоянии нескольких световых лет от нас, и все живое на Земле было бы уничтожено потоком смертельной радиации.
И тем не менее следы этих взрывов можно обнаружить буквально повсюду и даже в нас самих. Это углерод в наших клетках и железо в крови, кислород в воздухе, кремний в камнях, компьютерных чипах и рукотворных механизмах: все атомы тяжелее водорода и гелия возникли внутри звезд и распространились по Вселенной в результате взрывов сверхновых, происходивших миллиарды лет назад. Астрономы, движимые желанием разобраться в происхождении привычного нам мира — а может, просто неуемным интересом ко всему взрывоопасному, — десятилетиями пытались найти ответ на вопрос: почему звезда, мирно светившая миллионы лет, вдруг взрывается?
В последнее время им удалось сделать два революционных открытия. Одно из них касается причин возникновения вспышек мощных высокоэнергетических гамма-лучей из точек, расположенных далеко в космосе. Ученые десятилетиями бились над этой загадкой. И вот недавно данные космических зондов окончательно подтвердили правоту Вусли, который еще десять лет назад утверждал, что многие из этих вспышек испускают звезды, готовые превратиться в сверхновую, за несколько минут до взрыва.
Установление связи между этими явлениями проливает свет на другую тайну — механизм самого взрыва. Исследователи решили воспользоваться компьютерными моделями сверхновой, и теперь некоторые ученые убеждены в том, что стали лучше понимать, что запускает процесс, ведущий к катастрофе. Возможно, ключ к разгадке — невообразимо мощные реверберации, «лебединая песня» звезды.
Астрономы, как правило, работают не торопясь, ведь объекты, которые они изучают, не имеют обыкновения внезапно меняться или исчезать. Однако сейчас сотни ученых держат наготове мобильные телефоны, словно врачи, ожидающие срочного вызова. Они ждут известий от запущенного в 2004 году космического зонда «Свифт», который сканирует Вселенную в поисках гамма-лучей. Зарегистрировав вспышку, «Свифт» разворачивает свои телескопы в ее сторону, чтобы по остаточному излучению точно засечь источник. Кроме того, зонд посылает сигнал на Землю, чтобы астрономы могли лучше разглядеть это место в более мощные телескопы.
18 февраля 2006 года «Свифт» зафиксировал выброс гамма-лучей в направлении созвездия Овна. Уже через три минуты зонд определил, где произошла вспышка, а три дня спустя астрономы из Аризоны сообщили, что это случилось в небольшой галактике неподалеку от нас — гораздо ближе, чем обычно.
Как уже установили астрономы, между вспышками гамма-лучей и взрывами сверхновых существует некая связь. Но на сей раз вспышка произошла так близко и «Свифт» засек ее так быстро, что у ученых появилась надежда найти подтверждение теории, согласно которой вспышка гамма-лучей не что иное, как первый этап взрыва сверхновой.
Обычно выброс гамма- и рентгеновских лучей длится несколько секунд, но в этот раз он продолжался более получаса, а 18 февраля из той же точки началось излучение видимого и инфракрасного света. В течение трех дней это послесвечение угасало, а затем на сцену вышла сверхновая.
Астрономы в Чили, наблюдая затухание остаточного излучения, вдруг заметили повышение яркости. Примерно через минуту звезда взорвалась, при этом больше всего энергии выделилось в форме невидимого ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Видимый свет разгорался медленнее, и лишь со временем он стал ярче остаточного излучения. Так впервые удалось с самого начала проследить, как поток гамма-квантов предшествует взрыву сверхновой.
Но путь звезды к самоуничтожению начался раньше, когда она стала проигрывать извечную схватку с силой гравитации. Именно гравитация зажигает новые звезды, с такой силой сжимая в их ядрах атомы водорода, что они соединяются, образуя атомы гелия. В результате этого синтеза выделяется тепло и свет, а также создается давление, позволяющее ядру выдерживать громадный вес внешних слоев звезды. Однако когда ядро использует весь свой запас водорода, гравитация начинает уплотнять его еще сильнее. Температура сжимающегося ядра повышается до сотен миллионов градусов, так что ядра атомов гелия сливаются и образуют углерод. Новый приток энергии препятствует окончательному коллапсу ядра.
Для отдельно расположенной звезды массой не больше Солнца на этом все фактически и заканчивается. Когда гелий полностью выгорает, она съеживается и превращается в белого карлика размером примерно с Землю, и потом стареет и остывает практически вечно — если только рядом нет другой звезды, у которой можно «позаимствовать» водород из внешних слоев. Когда на поверхность белого карлика попадает достаточно материи, запускается механизм термоядерного взрыва, и в результате распространения детонации звезда «взлетает на воздух», словно гигантская атомная бомба. Такой взрыв ученые называют сверхновой типа 1а.
Однако сверхновая, вспыхнувшая 18 февраля, принадлежала к другому типу: это был не термоядерный взрыв, а коллапс звезды, который только и может вызвать всплеск гамма-лучей. Таков неизбежный конец любой звезды, масса которой в восемь и более раз превышает массу Солнца.
Такие тяжелые звезды всегда проигрывают битву с гравитацией. Вес их внешних слоев, давящий на ядро, настолько велик, что реакции синтеза не останавливаются на углероде. Звезда продолжает превращать легкие ядра во все более тяжелые элементы, и каждая последующая реакция совершается быстрее. Превращение углерода в кислород занимает шестьсот лет, кислорода в кремний — шесть месяцев, а кремний превращается в железо за один день. Когда ядро звезды становится шаром из твердого железа размером не больше Земли и весом примерно с Солнце, приговор ей подписан. Менее чем через секунду она взорвется.
На железе все заканчивается, так как в отличие от более легких элементов его атомы при реакции синтеза энергию не выделяют, а поглощают. Энергия, поддерживающая внешние слои звезды, прекращает вырабатываться, и ядро попросту «схлопывается». Как правило, в результате образуется нейтронная звезда. Этот звездный шлак столь плотен, что чайная ложка его вещества весила бы более миллиарда тонн. От самых тяжелых звезд остается только всепоглощающая черная дыра.
Именно в этот момент, уверен Вусли, — то есть до того, как коллапс каким-то образом превращается во взрыв, — на некоторых сверхновых происходит вспышка гамма-лучей. Вусли начал интересоваться этими вспышками несколько десятилетий назад, когда они представлялись настолько таинственным явлением, что по поводу их происхождения существовало около сотни гипотез разной степени серьезности — от «звездотрясений» до выхлопов инопланетных космических кораблей. Но когда в конце XX века из космической обсерватории «Комптон Гамма-Рэй» поступили данные о том, что источники гамма-лучевых вспышек лежат далеко за пределами нашей галактики, это еще больше разогрело интерес Вусли.
Стало быть, чтобы эти вспышки представлялись нам такими яркими, они должны заключать в себе больше энергии, чем можно представить, — и быть намного ярче сверхновых. И источник энергии у них, скорее всего, намного мощнее, чем обычная звезда. Может быть, гамма-излучение каким-то образом вызвано катастрофическим сотрясением коллапсирующих звезд? Итак, Вусли решил выяснить, как именно сверхновая с коллапсирующим ядром может произвести такую вспышку.
Он и его коллеги, в том числе Эндрю Макфадиен из Нью-Йоркского университета, воссоздают механизм взрыва сверхновых с помощью ком-разогревает диск, вращающийся вокруг черной дыры со скоростью несколько тысяч оборотов в секунду, до сорока миллиардов градусов. Тем временем в диск продолжает вливаться новая материя. Спустя миг после образования черной дыры наружу вырываются струи раскаленного газа.
Энергия каждой струи может поступать непосредственно от трения в диске или же от самой черной дыры через магнитные поля, связывающие ее с окружающим веществом. Подобно породившей ее звезде, черная дыра вращается с бешеной скоростью, заставляя магнитные поля растягиваться, изгибаться и сваливаться, словно резиновые ленты, вбрасывая в диск огромное количество энергии.
Так или иначе, струи газа рвутся наружу и достигают поверхности звезды за какие-то десять секунд. Если вокруг звезды сохранился изначально окружавший ее толстый пояс газообразного водорода, то скорость струи резко падает, и вспышки гамма-лучей может не последовать. Но если водорода уже нет (его мог унести солнечный ветер), то струя вырывается в космическое пространство со скоростью, менее чем на процент уступающей скорости света.
И вот тут-то следует вспышка: внутри каждой струи на огромной скорости сталкиваются скопления материи, в результате чего образуются каскады быстрых электронов. Электроны вращаются вокруг магнитных полей струи, испуская гамма-лучи. На протяжении многих дней, пока газ струей бьет в космическое пространство и смешивается с разреженным межзвездным газом, он вызывает остаточное излучение в видимом и инфракрасном спектре, а также в виде радиоволн.
Вспышка, произошедшая в феврале 2006 года, была не такой яркой, как большинство зафиксированных ранее — возможно, дело в том, что взорвавшаяся звезда была недостаточно массивной, чтобы образовать черную дыру. Вусли предполагает, что та же самая последовательность событий — «схлопывание», появление вращающегося диска и струй газа — может иметь место и в том случае, когда коллапс звезды завершается образованием не черной дыры, а быстро вращающейся нейтронной звезды. Даже в тот момент, когда струи раскаленного газа уже вырываются в пространство, звезда еще продолжает жить. «Струи достигают поверхности звезды за несколько минут до взрыва, — говорит Вусли. — Вспышка — предвестник сверхновой».
И все же этого недостаточно для взрыва. «Если просто пропустить сквозь звезду струю газа, — объясняет Вусли, — хорошей сверхновой не получится. Звезда потеряет сколько-то своей материи, но большая ее часть все равно притянется обратно». Чтобы заставить коллапсирующую звезду взорваться, нужно, по словам Вусли, «что-то еще».
Если говорить о звездах, порождающих вспышки гамма-лучей, то вращающиеся черная дыра и диск вокруг нее могут выделить достаточно энергии, чтобы разорвать звезду в клочья. Однако в большинстве случаев коллапс прекращается, когда ядро величиной с Землю сжимается в нейтронную звезду размером со средний город, разогретую до сотен миллиардов градусов. Это момент наибольшего сжатия. Стиснутое ядро разжимается, вызывая ударную волну, которая несется к поверхности, тараня материю, продолжающую падать к центру звезды из ее внешних слоев.
Моделирование этих и других процессов, про-роятной мощности, и даже самые большие суперкомпьютеры не могут полностью воспроизвести взрыв звезды в трех измерениях.
Специалисты обнаружили, что не проходит и тысячной доли секунды после возникновения ударной волны, как из центра звезды вырывается поток нейтрино — мельчайших, практически лишенных массы частиц. Нейтрино, рожденные в коллапсирующем ядре, истощают энергию ударной волны, она теряет скорость, и никакой сверхновой — по крайней мере, в компьютерной модели — не получается.
Группа астрономов из Университета Аризоны под руководством Адама Берроуза сейчас работает с компьютерной моделью, достаточно мощной, чтобы воссоздать сотрясение и судороги коллапсирующего ядра, и им наконец удалось выяснить, что может заставить звезду взорваться. Турбулентные потоки газа, стремящегося к ядру, сотрясают его и заставляют пульсировать.
«Ядро вибрирует, и вещество, падающее на него, усиливает эту вибрацию», — говорит Берроуз. За восемь десятых секунды вибрация становится такой сильной, что порождает звуковые волны. Давление, оказываемое этими волнами, выталкивает вещество и усиливает ударную волну, порожденную коллапсом. Кроме того, считает Берроуз, звуковые волны поступательно увеличивают вибрацию ядра, пока звезда наконец не взрывается.
Берроуз признает, что теория звуковых волн может не прояснять всей картины. Однако его компьютерная модель, как правило, выдает в результате асимметричный взрыв, и в реальности звезды действительно взрываются «кривобоко», выбрасывая в одном направлении больше энергии, чем в других. Так было и с самой яркой и близкой к нам с 1604 года сверхновой — 1987а (ее наблюдали двадцать лет назад).
Более убедительные доказательства теории звуковых волн могут получить сотрудники двух крупных научных центров в Хенфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана). Эти станции построили, чтобы фиксировать гравитационные волны — рябь на поверхности пространства и времени. Существование гравитационных волн предусматривает эйнштейновская теория относительности, однако ученым зафиксировать их до сих пор не удавалось. Они должны возникать при сотрясении и сжатии больших масс — а ведь именно это происходит в ядре сверхновой.
Если внутри коллапсирующей звезды и вправду возникают звуковые волны, то она должна вибрировать только на одной частоте, порождая соответствующие гравитационные волны. Берроуз полагает, что если сверхновая взорвется в нашей галактике или рядом с ней, то датчики на Земле смогут уловить эти сигналы — отголоски мощного космического грохота.
Похоже, звезды действительно могут «бабахать», чем Вусли, неисправимый любитель пиротехники, искренне восхищен. «Эта Вселенная, кажется, создана как раз для меня».
автор: Рон Кэуэн
Хотите прокомментировать?
Кроме того...
Краткая история шариковой ручки
10 июня 1943 года в США была...
Банкомату исполнилось 40 лет
Банкомат — это не только электронный...
Тысячелетние часы предлагают людям почувствовать смену эпох
Ход времени многолик, от...
