Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Бомбы темного неба

Взрывы сверхновых звезд – одно из наиболее эффектных космических зрелищ, а сами сверхновые, как и их порождения – нейтронные звезды и черные дыры – принадлежат к самым необычным феноменам мироздания. Их научное изучение началось в ноябре 1572 года. Тогда в созвездии Кассиопеи вдруг загорелась звезда, которой там никогда не было, и сияла она так ярко, словно тщилась затмить весь небесный свод. На протяжении двух недель она была различима даже в дневные часы. Это неожиданное явление побудило молодого датского дворянина Тихо Браге написать свое первое астрономическое сочинение – «О новой звезде».

Теперь мы знаем, что вспышка сверхновой знаменует не рождение, а смерть светила. Однако события, предваряющие этот финал, становятся очевидны только теперь. «Причины нашего непонимания процессов, протекающих внутри сверхновых звезд, очень разнообразны, – отмечают астрономы. – Заметно разнятся масса и количество тяжелых элементов, содержащихся в недрах звезды, которой суждено взорваться. А добавьте к этому различные побочные обстоятельства: скорость движения звезды, характеристики магнитного поля, близость других звезд, убыль массы, вызванная звездным ветром. Вот почему эти взрывы так не похожи друг на друга».

Остаток сверхновой Кеплера

Ученые различают несколько типов сверхновых, основывая классификацию на особенностях их спектра. За этой несхожестью спектров кроются фундаментальные различия. Чаще всего сверхновые образуются при коллапсе гигантских звезд (сверхновые типа Ib, Ic, II, IIL, IIp и II n). Как это происходит?

Звезды вырабатывают свою энергию за счет термоядерного синтеза – слияния легких элементов и образования более тяжелых элементов. Всё начинается со слияния атомов водорода – недра звезды наполняются гелием. Если ее масса в 8 и более раз превышает массу Солнца, то за несколько десятков миллионов лет она израсходует весь имеющийся в ее недрах водород. Пройдет еще несколько миллионов лет, и будет сожжен весь гелий; через несколько тысяч лет допылают запасы углерода. Последнее, что попадет в ее топку, – кремний. Это отсрочит крах примерно на три недели. Звезда исчерпает свои ресурсы.

На память о былом богатстве останется «слиток металла» – железоникелевое ядро размером с нашу планету и массой, которая превосходит солнечную массу примерно в 1,5 раза. Атомные ядра железа и других элементов так называемого «железного пика» (кобальта, никеля) имеют максимальную энергию связи в расчете на одну частицу. Присоединение к ним новых частиц требует огромных затрат энергии, а потому реакция термоядерного синтеза прекращается. Железо – самый стабильный из химических элементов. Его появление – мрачное предвестие. Теперь звезда обречена на гибель.

Можно сказать, все свои средства звезда вложила в этот ценный металл и тем самым вывела их из оборота. «Легкие деньги» водорода и гелия превратились в недвижимость, в «клад», который не сбыть никуда, пока накопленное сокровище не расточит жестокая «революция» – звездный взрыв. Или другой образ: деревянный дом выгорел, остались лишь гвозди и скобы, которые на какой-то миг, пока доски и брусья превращались в пепел, повисли в воздухе, чтобы потом рухнуть наземь. Коллапс.

Железное ядро стремительно, – со скоростью лишь в 4 раза ниже световой, – сжимается, образуя необычайно плотную и горячую протонейтронную звезду, диаметр которой составляет порядка 30 километров. На все про все уходит полсекунды. Звезда мгновенно «падает внутрь себя», словно луч света – в глубокую шахту. «Падают» все ее части. К примеру, электроны «падают», если хотите, втискиваются, внутрь протонов, превращая те в нейтроны (этот процесс протекает с выделением большого количества нейтрино).

Механизм «угасания» звезды не вызывает разнотолков среди ученых. Они подчеркивают, что катастрофический коллапс ядра описан теоретиками достаточно подробно. Гораздо труднее объяснить, почему за этим следует взрыв. Что приводит в работу спусковой механизм? Что заставляет звезду разлетаться на части, освещая небо ярчайшим из звездных светильников?

Наиболее сложные модели показывают, что в газовой оболочке возникают мощные конвективные потоки. Можно прибегнуть к такому сравнению: эта оболочка напоминает воду, кипящую в котле. Вся ее толща пронизана пузырьками, спешащими подняться наверх. Вот такие же грибовидные пузырьки из раскаленной плазмы в огромном количестве образуются в недрах звезды, устремляясь к ее поверхности. Звезда «закипает». Но бывает ли так со всеми звездами? Ученые по-прежнему не уверены, что именно конвективными потоками можно объяснить все взрывы сверхновых.

Астрофизик из Аризонского университета Адам Барроуз предложил другое объяснение: звуковые волны. При стремительном сжатии звезды, как показал проделанный им расчет, она начинает вибрировать. По идее, порожденные этим звуковые волны заметно усиливают ослабевшую было ударную волну. Проверить эту гипотезу, впрочем, можно будет, лишь обнаружив наконец гравитационные волны – предсказанные Эйнштейном колебания пространства-времени. Ведь вибрирующая звезда должна их создавать. Когда их удастся зафиксировать с помощью специальных детекторов, это послужит также подтверждением правоты исследователя, усложнившего модель образования сверхновых звезд.

В еще одной гипотетической модели, тоже имеющей право на существование, энергия вращения звезды преобразуется в магнитную. В некоторых случаях этого оказывается достаточно, чтобы вызвать чрезвычайно асимметричный взрыв звезды, причем ее остатки выбрасываются в космос строго вдоль оси ее вращения. Подобные звезды называют «гиперновыми». Как полагают, именно они являются источниками мощных вспышек гамма-излучения. На месте взорвавшейся гиперновой, по-видимому, остается черная дыра.

Совсем иначе взрываются сверхновые типа Ia. К этому классу принадлежат многие из самых ярких сверхновых. Речь идет о взрывах белых карликов, являющихся частью двойных звезд. Они постоянно пожирают находящуюся рядом звезду, пока их масса не достигнет магического предела – 1,4 солнечных масс. Тогда карлик и вспыхивает сверхновой звездой.

В компьютерной модели, созданной учеными Чикагского университета, показаны первые две секунды этого процесса. Разогретый до десяти миллиардов градусов пепел, образовавшийся в недрах звезды в результате термоядерной реакции, поднимается к ее поверхности и обволакивает ее – раздается взрыв. Остатки звезды уносятся в космическую даль со скоростью свыше 10 тысяч километров в секунду. Свидетелем такого взрыва и стал Тихо Браге.

Подобные события лишний раз напоминают, что сверхновые звезды взрываются по разным причинам. Только так можно объяснить, почему эти эффектные астрономические события столь многолики. В наши дни благодаря современным телескопам ежегодно удается открывать несколько сотен сверхновых звезд в различных галактиках, доступных нашему наблюдению. Так, в 2005 году было обнаружено 367 сверхновых, в 2006 году – 551, а в 2007 году – даже 572!

Унесенные вдаль остатки взорвавшейся звезды, насыщенные тяжелыми элементами, синтезированными в ее недрах, со временем послужат строительным материалом для новых звезд и – берите ниже! – планет. На некоторых планетах появятся живые существа, в организме которых будут содержаться химические элементы, образовавшиеся в толще сверхновой, например, железо – в крови. Так что все мы немного «звездные мальчики» и «звездные девочки».

Взрывались ли сверхновые звезды в окрестностях земли?

По оценкам астрономов, сверхновые звезды вспыхивают в нашей Галактике в среднем раз в тридцать лет. Впрочем, в большинстве случаев мы не замечаем этого, поскольку взорвавшиеся звезды находятся очень далеко от Земли и облака газа и пыли заволакивают их от наших взглядов.

За последние несколько тысяч лет не было случая, чтобы эти космические фейерверки принесли хоть какую-то беду. Разве что иногда их упоминали в хрониках, как было, например, со звездой, воссиявшей в 1054 году. Как-никак, почти три недели ее можно было видеть даже в дневные часы (позднее на ее месте образовалась Крабовидная туманность).

Поэтому ученые долгое время почти не задумывались о том, могли ли вспышки сверхновых повлиять на эволюцию жизни на нашей планете. Лишь в 1974 году американский физик Мелвин Рудерман предположил, что через каждую пару сотен миллионов лет в радиусе 30 световых лет от Земли взрывается какая-либо гигантская звезда. И тогда в течение нескольких веков озоновый слой, защищающий планету от смертоносного космического излучения, напоминает скорее решето.

Сверхновая звезда Supernova 1987A

Можно схематично обрисовать последующие события. Сперва на Землю обрушивается мощный поток ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, затем – поток быстрых частиц, в основном ядер водорода (протонов). Проникая к Земле, космическое излучение пагубно сказывается на планктоне, населяющем моря нашей планеты. Начинается массовое вымирание животных, питавшихся планктоном. Затем гибнут хищники, оставшиеся без добычи.

Животные вымирают ведь, прежде всего, потому, что не могут найти достаточного количества пищи, чтобы прокормить себя. Не случайно в эпоху глобальных катастроф мелким животным легче отыскать нишу для выживания – им требуется меньше пищи, к тому же многие из них питаются насекомыми, которые, как правило, не так сильно страдают в пору бедствий. Кроме того, мелкие животные обычно встречаются чаще крупных животных и быстрее их размножаются, приносят более многочисленное потомство, меньше времени вынашивают его. Поэтому они лучше приспособлены к катастрофам. Им, как биологическим видам, легче сохраниться.

Стоит отметить и следующее: поскольку количество планктона заметно уменьшится, он будет поглощать все меньше углекислого газа, а это приведет к нарастанию парникового эффекта. Опять же не все животные оказываются готовы к климатическим изменениям. Такова еще одна цепочка последствий взрыва одной из соседних с нами звезд.

В 1995 году физик Джон Эллис из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) и его американские коллеги Брайан Филдс и Дэвид Шрамм уточнили расчеты Рудермана. Из опубликованной ими статьи явствовало, что в среднем раз в 250 миллионов лет в области, очерченной их коллегой-предшественником, непременно взрывается сверхновая звезда.

Они также предположили, что взрывы сверхновых оставляют в осадочных отложениях или толще льда почти такой же след, как падения астероидов. Дело в том, что в раскаленной газовой оболочке, которую сбрасывает с себя звезда, начинает работать настоящая химическая фабрика. В течение считаных секунд здесь возникает практически весь ассортимент таблицы Менделеева вплоть до такого элемента, как калифорний, который на Земле можно получить лишь искусственным путем.

Если это «химическое» облако, выброшенное сверхновой, достигнет Земли, то в ее атмосферу проникнут некоторые экзотические элементы. Они оседают на поверхность суши или дно моря, образуя специфический слой отложений. Разумеется, в случае со сверхновыми звездами не стоит преувеличивать объемы вещества, просыпавшегося на Землю. Так, если звезда взорвется на расстоянии 30 световых лет от нас, то общая масса этого вещества составит около 10 миллионов тонн.

Поиск вещества сверхновой звезды в чем-то сродни поиску иголки, провалившейся в стог сена. Его масса в тысячи раз меньше массы астероида, рухнувшего на Юкатан 65 миллионов лет назад. Если же учесть, что это вещество рассеялось по планете, то отыскать его очень трудно. Его могут выдать только некоторые изотопы, которые не встретишь на Земле, например, железо-60.

В 1999 году в пробах железомарганцевых конкреций, взятых со дна в южной части Тихого океана, близ острова Питкэрн, обнаружилось именно железо-60. Период полураспада этого радиоактивного изотопа составляет полтора миллиона лет. Он образуется лишь при взрывах сверхновых, причем в количестве, превосходящем массу нашей планеты.

Осенью 2004 года был проведен повторный анализ. В образцах конкреций, поднятых со дна океана в трех тысячах километрах от прежнего места, вновь было найдено большое количество железа-60, что позволило уточнить дату события, случившегося в космических окрестностях Земли.

Расчеты показывают, что вещество сверхновой звезды может достичь поверхности нашей планеты только в том случае, если взрыв произошел на расстоянии всего нескольких сотен световых лет от нее. Иначе поток звездного вещества настолько замедлит свое движение, что, столкнувшись с солнечным ветром, будет отнесен в сторону от планеты.

Судя по количеству изотопов, обнаруженных в пробах, взрыв произошел примерно в ста световых годах от Земли, и случился он около 2,8 миллиона лет назад. В ту пору эта сверхновая сияла в сотни раз ярче полной Луны. Впрочем, выяснить, где она находилась, не удастся. За минувшие миллионы лет нейтронная звезда, оставшаяся на месте взрыва, очевидно, удалилась на тысячу с лишним световых лет от Солнца, а сброшенная ею газовая оболочка разредилась до такой степени, что заметить ее уже нельзя.

Это открытие стало одним из важных достижений «астрономической археологии», в задачу которой входит, например, изучение океанических осадков в поисках следов давних взрывов сверхновых. «Телескопами» археологов могут служить не только изотопы железа-60, но и гафний-182 и плутоний-244.

Кстати, взрывы сверхновых помогут объяснить некоторые загадочные изменения земного климата в далеком прошлом. Ведь, проникая в атмосферу нашей планеты, частицы вещества, выброшенного звездой, становятся центрами конденсации капелек воды. Планету затягивают облака; солнечные лучи все реже достигают ее поверхности; наступает похолодание. Географы давно определили, что около трех миллионов лет назад климат Земли разительно изменился, началось длительное похолодание, однако причина его была непонятна. Этот взрыв сверхновой многое объясняет. Облачный полог окутал тогда земную поверхность. На полюсах скопилось значительно больше льда; в Африке же стало выпадать меньше осадков.

Это событие повлияло и на становление человека. По словам ученых, оно стало «движущей силой эволюции наших далеких предков». Именно около 2,8 миллиона лет назад из рода австралопитеков выделяется ранний вид человека – Homo habilis, «человек умелый». Очевидно, становление этого вида было связано с изменившимися условиями существования. Климат стал более суровым, и лучше всего приспособилась к этим изменениям популяция гоминидов, научившаяся изготавливать орудия. Область ее обитания заметно расширилась. Так что сверхновая звезда благословила род человеческий.

Всего, по оценкам ученых, со времени зарождения жизни на нашей планете, то есть за последние три с половиной миллиарда лет, в окрестностях Солнечной системы несколько раз взрывались сверхновые звезды.

Чем нам грозит эта карины?

В созвездии Киля (лат. Сarina) – его хорошо видно в Южном полушарии, – на расстоянии 7—10 тысяч световых лет от Земли располагается звезда Эта Карины (Eta Carinae). Ее масса составляет от 100 до 120 солнечных масс, а светимость в 4–5 миллиона раз выше, чем у Солнца.

Астрономы по праву называют ее «таинственной звездой». Судьба ее, можно сказать, начертана на небесах. Эта Карины принадлежит к классу нестабильных голубых гигантов. Подобные звезды очень быстро расходуют содержащийся в их недрах водород и по прошествии нескольких миллионов лет взрываются в виде сверхновой или, может быть, даже гиперновой звезды. На месте взорвавшегося светила остается лишь черная дыра.

Примечательна Эта Карины своими периодическими вспышками и соответственно изменениями яркости (видимого блеска). В 1677 году Эдмунд Галлей, внося ее в каталог, обозначил ее как звезду 4-й величины. Однако уже к 1730 году она стала одной из самых ярких звезд в созвездии Киля. В 1782 году она вновь потускнела до своей прежней величины. Затем, начиная с 1820 года, ее яркость стала нарастать. Так, в 1827 году она светилась уже в 10 раз ярче, чем за несколько лет до этого, а по прошествии десяти лет, в 1837 году, произошла ее ярчайшая вспышка. В то время лишь Сириус пылал на небосводе ярче, чем эта звезда, пережившая взрыв, но не уничтоженная им. «Никогда прежде, – писал британский астроном Джон Гершель, находившийся в ту пору в Южной Африке, – я не видел такого великолепия». Во второй половине XIX века Эта Карины очень заметно потускнела. Наконец, с 1900 по 1940 год ее можно было наблюдать лишь в телескоп.

Эта Карины известна своими периодическими вспышками и соответственно изменениями яркости

Как известно, звездные величины обозначают индексом m (от латинского magnitudo – «величина»), который ставят вверху после числового значения. Например, яркость Полярной звезды составляет 2,3^m. Исторически сложилось так, что наиболее яркими звездами считались звезды 1-й величины, наиболее слабыми – 6-й величины. С появлением оптических приборов эта шкала необычайно расширилась: уже в бинокль можно увидеть звезды, чей блеск равен 10 ^m, а в телескоп – 29^m. Видимый блеск самых ярких звезд и планет стали обозначать в отрицательных звездных величинах, например, блеск Венеры (—4^m) и Луны (—11^m).

Так вот, видимый блеск Эта Карины в 1900–1940 годах составляла от 7 до 8^m, в то время как в 1843 году обозначался отрицательной величиной (—0,8^m). Но в годы Второй мировой войны Эта Карины мало-помалу начала разгораться. Теперь ее вновь можно было заметить на небосводе. В 1998–1999 годах ее яркость в течение 18 месяцев удвоилась.

Что же происходит с этой звездой? После памятного взрыва, состоявшегося в 1837 году, Эта Карины сбросила не всю свою оболочку, а лишь малую ее часть (впрочем, и та весила примерно в три раза больше, чем Солнце). «Очевидно, эта звезда напоминает громадный паровой котел, – комментирует немецкий астроном Керстин Вайс. – Когда давление в ее недрах нарастает, она сбрасывает немного пара».

Впоследствии облака газа и пыли, выброшенные в космос, заслонили от нас звезду. Возникла туманность Карины, протянувшаяся на две с лишним сотни световых лет. Однако превращения звезды на этом не кончились, хотя она исчезла из поля нашего зрения. Ее газовое ядро осталось, пережив катаклизм. Как показывают фотографии, сделанные телескопом «Хаббл», это ядро все еще бурлит, яркость звезды внезапно возрастает. Возможно, полагает Керстин Вайс, «шлейф газа и пыли, образовавшийся полтора века назад, теперь вытянулся настолько, что сквозь него стала просвечивать Эта Карины». Когда-нибудь она еще засияет ярче всех других звезд.

Наблюдая за туманностью, окружающей эту звезду и сформированной из материала, который она извергала во время вспышек, астрономы пришли к выводу, что подобные катастрофы наблюдались, например, в XV веке, а также в конце I тысячелетия нашей эры. О последнем напоминает образование в виде подковы, достигающее в поперечнике 2 световых лет и обнаруженное рентгеновским телескопом «Чандра» в 1999 году. Температура газа внутри этого полукольца, в непосредственной близости от звезды, составляет 60 миллионов кельвинов, а снаружи – там, где газовая оболочка, отторгнутая ей, сталкивается с межзвездным веществом – все еще достигает примерно 3 миллионов кельвинов.

Астрономы пока безуспешно пытаются найти хоть какие-то исторические свидетельства, сообщающие о вспышках этой звезды в далеком прошлом. Единственный текст, на который они обратили внимание, это шумерский миф, сложившийся в IV тысячелетии до нашей эры. Он повествует о боге Энки, который является людям в обличье звезды, меняющей свою яркость. Однако нет никаких упоминаний о том, в какой части небосвода пребывал Энки, и, значит с звездой Эта Карины его можно связывать лишь гипотетически.

Причина вспышек, время от времени сотрясающих эту звезду, пока еще не вполне понятна ученым. Возможно, нестабильность Эта Карины обусловлена ее массой. Мощная сила гравитации скрепляет остов этого гиганта, но в его недрах вовсю идет термоядерная реакция. Звезду буквально распирает изнутри. Пока две эти силы находятся в равновесии, поток излучения сдерживается. Однако их паритет обманчив. Достаточно какого-то внешнего фактора, и произойдет такой же мощный взрыв, как и полтора века назад.

В спектре Эта Карины астрономы выявили периодические изменения. Они указывают на то, что на самом деле речь идет о двойной звездной системе, состоящей из объектов, которые обращаются относительно друг друга с периодичностью примерно в 5,54 года. Именно через такой промежуток времени рентгеновское излучение, исходящее из центральной части Эта Карины, уменьшается до минимума. Этот феномен можно объяснить тем, что один из объектов, составляющих звездную пару, закрывает другой. Источником рентгеновского излучения может быть столкновение звездных ветров – потоков заряженных частиц, испускаемых каждым из этих двух объектов. Впрочем, пока не создана убедительная модель, которая объяснила бы все странности и загадки звезды Эта Карины, хотя у астрономов остается все меньше сомнений в том, что это – двойная звезда.

В 2003 году Вольфганг Кундт и Кристоф Хилеманс, впрочем, высказали гипотезу, превращающую звезду Эта Карины в тройную звезду, которая состоит из двух «нормальных» звезд, чья масса составляет порядка 60 солнечных масс, а также нейтронной звезды. В любом случае, она – уникальный объект, ведь она расположена в относительной близости от Земли.

По признанию ученых, Эта Карины, находящаяся на одной из последних стадий своего развития, является одним из самых интересных объектов для всех, кто изучает эволюцию звезд. При тех катастрофах, которые она пережила, звезду обычно разрывает на части. Она же, удивляются астрономы, «как-то уцелела». Вот и в следующий раз она может выжить после катастрофы, а может и окончательно погибнуть. В любом случае, в ближайшие 100 тысяч лет она полностью взорвется и станет сверхновой.

Ее гибель вроде бы ничем не грозит Земле – разве что порадует всех любителей звездного неба (а кто из нас хоть раз в жизни не глядел завороженно на него?). По словам американского астрофизика Марио Ливио, «это будет самое эффектное звездное шоу за всю историю человечества». Чего доброго, после взрыва Эта Карины в Южном полушарии станет так светло по ночам, что можно будет сутки напролет читать, например, справочник о поведении сверхновых, даже не включая электрический свет, иронизирует астроном Дэвид Пули из Берклийского университета. Когда-нибудь это произойдет. Когда?