От чёрных облаков к чёрным дырам - Страница 22

⁹⁴¹ Полярная ось Земли, идущая с севера на юг, не является неподвижной в пространстве, а описывает конус с периодом около 26000 лет. Это движение полярной оси очень похоже на прецессию оси волчка. В результате общий вид ночного неба по отношению к Солнцу медленно меняется со временем.

Рис. 52. Крабовидная туманность в созвездии Тельца являющаяся остатком небольшого взрыва

Как так — современному? Да! Если невооружённым глазом посмотреть в том направлении, где, по мнению древних, была видна необычная звезда-«гостья», то мы не увидим ничего, но фотографии, сделанные с помощью телескопа, показывают необычайную, драматическую картину. Объект, который виден сейчас, известен под названием Крабовидной туманности (рис. 52), и считается, что это тот самый объект, который был виден в июле 1054 г. при ярком дневном свете, но с одной разницей! То, что сегодня видно в этой туманности, есть остаток взрыва, который видели 4 июля 1054 г. и в котором звезда потеряла большую часть внешней оболочки. Такие взрывающиеся звёзды получили название сверхновых. СВЕРХНОВЫЕ ЗВЁЗДЫ

При каких условиях звезда становится сверхновой? Эта стадия в жизни звезды достигается тогда, когда подходят к концу процессы термоядерного синтеза, т.е. когда в её сердцевине возникнут ядра группы железа. Именно до этой стадии мы довели наш рассказ в конце гл. 7. Сама звезда при этом приняла вид красного гиганта. Теперь что-то должно нарушить равновесие звезды и привести к её взрыву.

После образования ядер группы железа процесс термоядерного синтеза останавливается и ядро звезды начинает сжиматься. Это уже случалось со звездой несколько раз в её прошлом; соответственно, когда она истощала свои запасы водорода, гелия, углерода и т.п. Но в этих случаях одно топливо сменялось другим и процесс синтеза мог как-то продолжаться. Теперь ситуация иная. Топливо для термоядерного синтеза полностью исчерпано.

Таким образом, хотя ядро сжимается и нагревается, при этом не поджигается новая термоядерная реакция. Происходит, скорее, обратное. Ядра группы железа разбиваются на α-частицы, что приводит к потере анергии в сердцевине звезды. Это влечёт за собой срыв оболочки.

Процесс, благодаря которому это происходит, чем-то напоминает надувание мяча насосом. Чтобы заполнить мяч воздухом, мы выдвигаем цилиндр насоса, а затем вдвигаем его. Воздух, накопившийся между цилиндром и отверстием мяча, под большим давлением входит внутрь и раздувает мяч. Аналогично сердцевина звезды сначала сжимается под действием сил тяготения, а затем раздувается. При этом она оказывает чудовищное давление на внешнюю оболочку звезды.

Почему же раздувается сердцевина звезды? Мы вернёмся к этому вопросу в гл. 9, где будет рассмотрена судьба сердцевины. Пока что предположим, что сердцевина раздувается потому, что встречает глубоко внутри сильное сопротивление, которое не только приостанавливает падение внутрь внешних частей сердцевины, но и отбрасывает их назад.

Внезапное обращение скорости движения сердцевины от направления к центру на направление от центра происходит совершенно неожиданно для внешней оболочки. То, что при этом возникает, называется на специальном жаргоне ударной волной.

Обычная звуковая волна, распространяющаяся в воздухе или воде, производит изменения в давлении и температуре среды, но они малы и непрерывны. Это означает, что различия в соседних точках незначительны и не меняют резко общее распределение давления в окружающей среде. Но в ударной волне это не так! Такая волна возникает, если происходят внезапные, большие и разрывные изменения температуры и давления в соседних точках, как это случается при взрыве. Это резкое изменение быстро передаётся наружу через всю звезду и порождает два явления.

Одно из них заключается во внезапном нагреве некоторых внешних частей звезды. Вспоминая луковичную структуру звезды (см. рис. 49), можно заметить, что в ней есть оболочки, состоящие из более лёгких элементов вроде кислорода или кремния. Эти оболочки внезапно нагреваются до температур порядка 4 млрд. градусов, когда ударная волна проходит через них. И хотя такой нагрев длится необычайно короткое время, всего не более чем несколько десятых долей секунды, он успевает включить цепную реакцию термоядерного синтеза. Этот синтез имеет характер взрыва, хотя он и не приводит к большим изменениям в составе звезды. Тем не менее, как будет видно в конце главы, такой взрыв оказывает весьма драматическое и длительное влияние на окружающую среду.

Второе явление, связанное с ударной волной, заключается в том, что в веществе, входящем в оболочку звезды, возникают большие направленные от центра скорости. Эти скорости так велики, что оболочка (до тех пор объединённая с центральным ядром звезды силами взаимного притяжения) просто отрывается. Для звезды наступает момент истины.

Внезапное освобождение и сброс оболочки и есть то явление, которое известно как взрыв сверхновой. На начальных стадиях взрыва звезда высвобождает за короткое время столь огромное количество энергии, что в эти краткие мгновения славы (перед смертью!) она своим светом затмевает свет целой Галактики, состоящей из сотен миллиардов спокойно светящих звёзд. Неудивительно, что 4 июля 1054 г. такой взрыв был виден на Земле даже днём.

На рис. 53 показано, как интенсивность света резко возрастает, а затем спадает в течение одного-двух лет после взрыва. Наряду со сверхновой (1054 г.) в Крабовидной туманности в нашей Галактике наблюдались ещё две сверхновые: одна в 1572 г. Тихо Браге, а другая — Иоганном Кеплером в 1694 г. За последнее время наблюдались и другие сверхновые, но не в нашей Галактике, хотя, по оценкам, в Галактике каждые сто лет должны происходить от 2 до 3 взрывов сверхновых. Не все эти сверхновые видны — их видимый свет сильно поглощается встречающейся по дороге межзвёздной пылью (см. гл. 4).

Рис. 53. Кривая схематически показывает, каким образом интенсивность света (логарифмический масштаб) быстро возрастает на ранних стадиях существования сверхновой, а затем медленно убывает

Взрывающиеся звёзды, не только излучают огромное количество света, они также выбрасывают наружу частицы вещества очень большой энергии. Этими частицами являются электроны, нейтрино и ядра атомов, образованных в глубинах звезды. В результате окружающее звезду пространство заполняется этими выбросами от сверхновой. Обнаруживаемые во Вселенной тяжёлые ядра на самом деле родились в горячих сердцевинах звёзд и были выброшены наружу при звёздных взрывах⁹⁷¹. Таким образом, то вещество, из которого сделана Земля и, естественно, то, из чего сделаны мы сами!), имеет поистине бурную историю.

971 Звёзды более позднего поколения, образованные из вещества, содержащего выбросы сверхновых, с самого начала имеют в своём составе тяжёлые ядра. Как описано в гл. 7, эти ядра способствовали началу CNO-цикла в более массивных звёздах.

Считается, что сверхновые являются источниками частиц больших энергий, приходящих в атмосферу Земли из космического пространства. Известные под названием космического излучения, эти потоки частиц регистрируются либо поднятыми на воздушных зондах приборами, либо детекторами, установленными на. Земле. Вдобавок к видимому, свету и космическому излучению сверхновая может испускать электромагнитное излучение. Очевидно, что если бы звезда превратилась в сверхновую на расстоянии, скажем, тридцать световых лет от нас, её излучение уничтожило бы жизнь на Земле. (Крабовидная туманность находится на безопасном расстоянии 6 000 световых лет.)

Можно ли знать заранее, собирается ли звезда взорваться? Пока что нет, но будущее развитие технологии может сделать это возможным. Расчёты показывают, что когда звезда приближается к моменту взрыва, необычайно резко нарастает образование нейтрино внутри звезды. Эти нейтрино легко выходят из звезды и движутся со скоростью света. Поэтому, если удастся построите чувствительные детекторы нейтрино, они смогут подать сигнал тревоги в тот момент, когда красный гигант соберётся стать сверхновой. К сожалению, нейтрино очень слабо взаимодействуют с остальным веществом и их необычайно трудно детектировать.