Наблюдения вспышек сверхновых01.09.2015 13:07

Астрофизик Сергей Блинников об открытии первой сверхновой звезды, остатках после вспышки и современных телескопах

Сверхновая, или, как их еще иногда называют, сверхновые звезды, — это некоторые события в жизни определенного подкласса звезд. Мы знаем, что в нашей Галактике примерно 100 миллиардов звезд, большинство из них меньше нашего Солнца, а более массивных, более мощных, более ярких звезд немного. И мы знаем из сопоставления огромного объема материалов наблюдений с теориями, что каждый год в нашей Галактике умирает примерно одна звезда. Она умирает тихо, примерно так же, как это предстоит нашему Солнцу через 5 миллиардов лет. То есть в течение нескольких сотен тысяч лет эти звезды медленно сбрасывают с себя свои внешние оболочки, примерно половину массы, а в сердцевине остается маленькая звезда — белый карлик, с массой, скажем, в половину массы Солнца, а размером с Землю. И вот так 99% звезд умирает. Но некоторые звезды… Мы оцениваем нашу Галактику примерно два раза за столетие. То есть если каждый год одна звезда умирает, то одна или две за столетие страшным образом взрываются — взрываются так, что практически никакого остатка не остается. И вот это событие в жизни звезды называется сверхновой звездой.

Сразу скажу: это несколько удивительно, что все звезды тихо, спокойно, стационарно светят, как наше Солнце — на нем происходят некоторые вспышки, которые на нас влияют и как-то влияют на космическую радиацию, но в целом звезды типа Солнца и подавляющего большинства звезд горят очень спокойно. Это поразительно. Мы понимаем, что все звезды светят благодаря термоядерным реакциям (термо — это значит в зависимости от температуры). Чем выше температура, тем быстрее реакция, потому что ядра не могут сталкиваться при комнатных температурах: они отталкиваются из-за электрических сил. А им нужно преодолеть электрический барьер и слиться с ядерными силами — глюонными, которые открыты относительно недавно.

Казалось бы, я брошу бомбу в какую-нибудь звезду, или метеорит, астероид упал внутрь звезды — температура повысилась, и скорость реакции чудовищно должна возрасти, звезда должна взорваться. А звезда не взрывается. Она горит, как мы говорим, стабильно, устойчиво, стационарно. С чем это связано? С тем, что звезды — это самые гравитирующие объекты. Они производят, благодаря своей массе, силу тяжести. Энергия горения не очень велика. Как говорил мой учитель Яков Борисович Зельдович, «если взять Солнце, поделить мощность его излучения на его массу, то получится такая же мощность, как в куче гниющих листьев». Совершенно ничтожные единицы массы. Но солнышко на нас так ярко светит, потому что этих вот «листьев» — водорода и гелия — очень много. Тем не менее оно стабильно отчего? Оттого, что если каким-то образом мы выделили энергию внутри звезды, лишнюю из-за падения астероида, то это приводит к тому, что при выделении энергии звезда должна немного расшириться, а расширение в поле тяжести приводит к снижению температуры, и поэтому все звезды горят устойчиво. Но некоторые все-таки взрываются. Откуда мы это знаем? И почему они взрываются? Вот это очень интересные загадки.

Сам термин «сверхновая звезда» появился чуть меньше ста лет назад в работах Бааде и Цвикки, которые после открытия нейтрона выдвинули гипотезу, что самые сильные взрывы звезд связаны с образованием нейтронных звезд. После открытия нейтрона стало понятно, что могут существовать такие объекты, как нейтронные звезды, которые уже не размером с Землю, а размером с город — 10–15 километров радиус, а масса как у Солнца. Такие звезды открыты в виде пульсаров, в виде рентгеновских источников. Но в 30-е годы это была чистая гипотеза.

Тем не менее эти ученые сказали, что некоторые вспышки звезд, которые раньше назывались просто новыми (новые — это тоже вспышка, но не молодой звезды, а старой — вблизи ее поверхности сбрасывается ничтожная доля, одна стотысячная массы), в частности звезд в соседней галактике Андромеда (галактике М31) — в XIX веке не знали, на каком расстоянии эта туманность Андромеды, и в 20-е годы еще не знали, но в 30-е разобрались, — оказалось, что мощность этих вспышек в сотню тысяч раз больше, чем у вспышек новых. Так термин появился. Первые сверхновые звезды были отождествлены, и после этого их систематически стали наблюдать.

Кроме того, люди поняли, что так называемая новая Тихо Браге — звезда, открытая выдающимся ученым, которую наблюдало все человечество в Северном полушарии в созвездии Кассиопеи, — вспыхнула, некоторое время по блеску превосходила Юпитер, Венеру, а потом спала. Тихо Браге все это записал. Он был молодым человеком, 27 лет, может, 26 ему было. Это его потрясло, что на небе происходит такое событие. После этого он решил посвятить свою жизнь астрономии. Там помог один несчастный случай: отец Тихо Браге спас датского короля, который тонул, но сам простудился и умер от пневмонии. И король в знак благодарности Тихо Браге дал деньги на новую обсерваторию, и в этой обсерватории он произвел потрясающие по точности наблюдения, благодаря которым Кеплер сумел открыть закон о небесной механике, и на основе этих законов Ньютон открыл законы механики, и возникла современная наука.

Так вот, на том месте, где Тихо Браге наблюдал свою сверхновую, мы видим ярчайший рентгеновский источник, так называемый остаток сверхновой, и это еще один объект для наблюдения. Их сотни в нашей Галактике. В соседних галактиках — в Большом Магеллановом Облаке, в Малом Магеллановом Облаке, в туманности Андромеды — их очень много открыто. Чем мощнее телескопы, тем больше мы их открываем. Их открывают в видимом свете, в рентгене, в радиодиапазоне. И видно, что на месте той вспышки, которая произошла в 1572 году, сейчас, 440 с лишним лет спустя после этой вспышки, мы видим ярчайший рентгеновский источник во всех диапазонах. И в этом источнике, который в деталях наблюдается рентгеновскими телескопами на орбитах, создаются прекрасные картины, спектры, мы видим ускорение частиц. Это ускорение частиц производит космические лучи, которые влияют на нашу атмосферу, на человека. Если мерить радиоактивность в этом помещении радиометром, то у нас будут щелчки, примерно штук 10 щелчков в минуту. Считается, что один или два щелчка от космических лучей, но это в маленьком приборе. В человеческом организме это тысячи щелчков радиоактивных распадов в минуту. Значит, сотни из этих щелчков произошли от космических лучей, которые, несомненно, порождены взрывами сверхновых звезд. Ускорение космических лучей в основной массе до энергии, в тысячу раз большей, чем, например, у Большого адронного коллайдера, происходит в остатках сверхновых.

Мы понимаем, что происходят вспышки, и мы понимаем, в частности, на остатке сверхновой Тихо Браге, на остатке сверхновой Кеплера, который это тоже наблюдал позже, в 1604 году, и еще на нескольких остатках, что там нет никакой звезды. Мощнейшими телескопами не обнаружено никакого остатка. И мы понимаем, что при тех взрывах, которые взорвали эту звезду, не осталось даже какого-то белого карлика или нейтронной звезды. Но в некоторых сверхновых остается в остатке, например, пульсар. Карбовидная туманность — это остаток взрыва 1054 года, и там знаменитый пульсар Карбовидной туманности, который вращается, делает 33 оборота в секунду и посылает радиоимпульсы, импульсы видимого света и даже гамма-излучения каждые 33 раза в секунду. На этом месте была зафиксирована (правда, не в Европе, а в основном в Китае, немножко в Японии и Корее) вот эта сверхновая 1054 года, и она связана с другим типом взрывов, когда образуется нейтронная звезда, — то, что хотели Бааде и Цвикки. Этот остаток найден, и он ярко светит.

Но я сказал, что в нашей Галактике мы оцениваем примерно два таких мощных взрыва за столетие, а за последние 1000 лет было открыто всего штук пять сверхновых. Почему так происходит? Потому что мы живем в диске Галактики, запыленном очень сильно. Хотя размер нашей Галактики примерно 30 килопарсек, то есть практически 100 тысяч световых лет, видим мы вокруг себя всего на несколько тысяч световых лет, то есть маленький процент от всего объема Галактики. В современных приборах методы поиска сверхновых могут быть основаны на инфракрасной астрономии, на радиоастрономии, даже на гравитационно-волновой астрономии. Все ждут, что будут открыты всплески, и тогда независимо от всей этой пыли можно будет открывать сверхновые.

Как это делается в современную эпоху? Не надо думать, что это такое редкое событие — два раза за столетие, что надо ждать очень долго. Наши телескопы проникают на огромные расстояния до самых далеких квазаров и первых галактик, до тех эпох, когда наша Вселенная была в 10 раз меньше по размеру, чем сейчас. Так вот, каждую секунду в этой наблюдаемой уже современными телескопами Вселенной происходит от 60 до 80 взрывов сверхновых в секунду. Можете себе представить? Значит, у нас в году 30 миллионов секунд, и умножьте это почти что на 100 — миллиарды сверхновых в год! Мы их не видим, потому что непонятно, куда телескоп навести. Нет такого мощного телескопа. Если телескоп мощный, он видит только маленькую область на небе. Но тем не менее в последние годы сверхновые открываются уже тысячами за год. В основном, конечно, в соседних галактиках. К нашему удивлению, мы не видим из Андромеды с XIX века ни одной сверхновой. Галактика такая же гигантская, как наша, очень похожа, и все на нее смотрят. Очень много новых в ней открыто, но вот сверхновых нет. В других некоторых соседних галактиках, подальше на несколько мегапарсеков от нас, есть галактики, в которых уже по десятку сверхновых открыто. И поскольку это событие — взрыв сверхновой — влияет на все: на производство космических лучей, на динамику межзвездного газа, на образование новых звезд из планетных систем, — это одно из самых важных явлений в жизни галактики, и на его изучение направлено очень много усилий теоретиков. Создаются каталоги сверхновых, создаются программы поиска и наблюдения сверхновых. Я участвую в одной из них с японскими молодыми учеными. У них на Гавайях есть восьмиметровый телескоп «Субару», один из крупнейших в мире. По диаметру он не самый крупный, потому что есть уже десятиметровый. Но у него самая крупная в мире камера. Представляете, камера современная — несколько десятков мегапикселей, а тут 700 гигапикселей. 3,5-тонная камера висит в фокусе этого телескопа, и у нее очень широкое поле зрения. Поэтому, по нашим предсказаниям, в поле зрения этого телескопа за ночь наблюдения должно вспыхивать от 5 до 20 сверхновых, если смотреть не на какую-то конкретную галактику, не на какое-то скопление, а просто в поле. Там далеко так много галактик. Мы уже несколько раз наблюдали, и уже несколько событий открыто.

Почему я участвую? Потому что я теоретик. Я предсказывал, со своими и более молодыми коллегами мы развили программу предсказаний вспышек сверхновых. Вот когда она взрывается, в центре звезды что-то происходит, то образуется мощнейшая так называемая ударная волна. Она выбегает на поверхность звезды и производит первую ярчайшую вспышку в жестком диапазоне. Вот это можно открывать и наблюдать, проверять различные теории.

Сергей Блинников