СВЕРХНОВЫЕ: НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Еще в далекой древности на небе изредка наблюдали появление
ярких “новых звезд”, которые по прошествии некоторого времени угасали и
полностью исчезали из поля зрения. И лишь в XX в. стало окончательно ясно, что
наблюдаемый феномен совершенно не связан с зарождением звезд, а порой, наоборот,
отражает собой их гибель в гигантском взрыве. Тем не менее название “Новые” за
ними сохранилось, а позже среди них были выделены Сверхновые, по масштабам
своего проявления намного превосходящие феномен обычных Новых. Как потом
оказалось, именно феномен Сверхновых обусловлен полным разрушением звезды в
сверхмощном термоядерном взрыве, тогда как Новые — это отголосок меньшего по
масштабам взрывного процесса, не приводящего к разрушению звезды. В этой брошюре
будут рассмотрены оба этих феномена, но начнем мы со Сверхновых.
В начале 40-х годов американский астроном Р. Мин-ковский сделал
предположение о подразделении Сверхновых на два типа. В таблице представлены
основные данные о Сверхновых I и II типов, полученные из оптических наблюдений.
Сразу же оговоримся, что в этой брошюре не будет обсуждаться феномен
Сверхновых
Основные наблюдательные данные о Сверхновых I и II
типов
Основные характеристики |
Сверхновые I типа |
Сверхновые II типа |
Место вспышки |
Эллиптические, спиральные и Нерегулярные галактики |
Только спиральные галактики (в спиралпных
рукавах) |
Максимальная абсолютная звездная величина (светимость) |
(1010
Lc)—20m |
Менее —16m (более 3-108
Lc) |
Кривая блеска |
Скорость спада 0,1т в сутки за первые
30 суток и
около 0,01 m в сутки в последующее время |
Различное поведение |
Оптический спектр |
Широкие неотождествленные особенности; отсутствие линий во
дорода и гелия |
Бальмеровские линии, линии Не I,
Na I и т. д. |
Предсверхновые звезды |
Маломассивные |
Массивные |
II типа. Наблюдательных данных о них не столь уж много, и это
весьма затрудняет получение согласованной теории феномена Сверхновых II типа.
Предполагают, правда, что он связан с разрушением массивных звезд (с
образованием нейтронной зевзды) на поздних стадиях эволюции, однако много здесь
неясного.
Итак, поговорим о
Сверхновых I типа, и вначале более подробнее остановимся на их наблюдательных
характеристиках. Их оптические спектры весьма схожи, и все они имеют широкие
полосы, отождествить которые так и не удалось до конца. Правда, в конце 60-х
годов советский астрофизик Ю. П. Псковский предположил, что они, видимо,
образуются линиями поглощения, сильно расширенными вследствие эффекта Доплера за счет
большого разброса в скоростях движения вещества в оболочке Сверхновой I типа.
Отметим также, что Э. Р. Мустель, анализируя в свое время оптические спектры
Сверхновых I типа, сделал вывод об аномально высоком содержании кислорода,
углерода, азота и серы в оболочках этих Сверхновых.
Спектральные линии подобных легких элементов имеют
рентгеновские спектры остатков Сверхновых I типа, полученные с помощью спутника
“Эйнштейн”. Ультрафиолетовые наблюдения с использованием аппаратуры спутника
“ИУЭ” показали, что по крайней мере три Сверхновые I типа обладают практически
одинаковым спектром в данном диапазоне. Это указывает на то, что взрывающийся
объект (предсверхновая) имеет схожие свойства для всех Сверхновых I типа. Об
этом свидетельствуют и инфракрасные исследования Сверхновых I типа. Интересно,
что наблюдения типичных Сверхновых I типа в радиодиапазоне дали отрицательный
результат, и, по всей вероятности, у типичных Сверхновых I типа отсутствует
радиоизлучение.
Важным наблюдательным фактом является то, что в эллиптических
галактиках вспыхивают только Сверхновые I типа, причем они имеют тенденцию
вспыхивать на периферии этих галактик. Такое пространственное распределение
указывает на то, что Предсверхновые Сверхновых I типа являются старыми
объектами. С другой стороны, в эллиптических галактиках, по всей вероятности,
отсутствуют звезды, имеющие массу больше 3
Me, а как мы знаем, эволюция
одиночных маломассивных звезд не сопровождается какими-либо взрывными явлениями.
Отсюда напрашивается естественный вывод о том, что Предсверхновые, вспыхивающие
как Сверхновые I типа, являются членами двойных систем, где происходит аккреция
вещества на маломассивную звезду с вырожденным состоянием своих недр. Иначе
говоря, эти Предсверхновые являются белыми карликами, образовавшимися в тесных
двойных системах после обмена масс с другим компонентом системы. Большой возраст
предсверхновых указывает, что они, скорее, являются углеродно-кислородными
карликами, хотя и не исключены другие варианты белых карликов для маломассивных
звезд.
Можно отметить и еще
один наблюдательный факт, который еще совсем недавно рассматривался с прямо
противоположных позиций. Дело в том, что рентгеновские наблюдения с очень
высоким разрешением (при помощи телескопа спутника “Эйнштейн”) газовых остатков
Сверхновых I типа, вспыхнувших в нашей Галактике в 1572 г. (Сверхновая Тихо
Браге) и в 1604 г. (Сверхновая Кеплера), со всей определенностью указали на
отсутствие там каких-либо звездоподобных остатков. Ранее же считалось как раз
наоборот, что при взрыве предсверхновой образуется (как остаток) нейтронная
звезда, и этим объяснялось происхождение пульсаров. В качестве примера обычно
ссылались на пульсар в Крабовидной туманности, которая осталась от взрыва
звезды, наблюдавшегося как Сверхновая I типа в 1054г.
Однако в настоящее время эту Сверхновую не относят к I типу, в
то время как Сверхновые Тихо Браге и Кеплера являются характерными
представителями I типа. Поскольку же нейтронные звезды за несколько сот лет не
могли остыть настолько, чтобы их нельзя было бы обнаружить в рентгеновском
диапазоне с помощью телескопа спутника “Эйнштейн”, то отсюда и сложилось мнение
о полном разрушении звезд без всякого остатка (нейтронной звезды) при феномене
Сверхновых I типа. Весьма вероятно, происхождение пульсаров свойствено феномену
Сверхновых II типа, но, как говорилось, много здесь в теории неясного. Надо
сказать также и о том, что в самом феномене, приведшем к образованию Крабовидной
туманности, много еще неясного, несмотря на чрезвычайное количество собранной
информации о Крабовидной туманности и ее пульсаре, как и о других подобных
объектах (плерионах). Во всяком случае феномен Сверхновой, связанный с
образованием Крабовидной туманности, весьма уникален по своим проявлениям, и его
дальнейшее изучение может принести еще неожиданные результаты.
С другой стороны, в последние годы многое прояснилось в
причинах феномена Сверхновых I типа, о чем более подробно будет сказано чуть
позже. Стало понятным и развитие этого феномена во времени, характеризуемое
кривой изменения его блеска (рис. 11), Оказалось, что форма кривых блеска
Сверхновых I типа тесно связана с выделением энергии при ядерных реакциях,
инициируемых взрывным процессом, вызывающим такой феномен. Мощный термоядерный
взрыв, приводящий к полному разрушению предсверхновой, по сути, является
процессом взрывного ядерного горения, в ходе которого происходят все ядерные
превращения, характерные для рассмотренной ранее эволюции одиночных звезд
большой массы. Так, например, взрывное ядерное горение углерода не
ограничивается синтезом неона, натрия и магния, а продолжается вплоть до
образования ядер никеля Ni56. Как читатель, наверное, помнит, ядра Fe56 не
синтезируются непосредственно в термоядерных реакциях, а получаются в результате
радиоактивного распада, который и ответствен за форму кривых блеска Сверхновых I
типа.
Впервые радиоактивный механизм накачки энергии был предложен в
1956 г. В. Бааде и его сотрудниками на примере распада ядер
калифорния Cf254. Превращение ядер никеля
Ni56 (конечного продукта
термоядерного синтеза в звездах) в ядра железа
Fe56 осуществляется в двух
последовательных циклах ядерного превращения. Вначале совершается захват
электрона ядром Ni56 с образованием ядра кобальта Со56 при испускании
гамма-квантов, затем происходит, еще одна реакция ядерного превращения в
результате beta+-распада, который обусловливает образование ядра
железа Fe56 из ядра Со56. Характерная особенность последнего превращения —
это образование ядер Fe56 в возбужденном состоянии, которые переходят затем
в основное состояние при испускании гамма-квантов. Оценки показывают, что потоки
позитронов и гамма-квантов, возникающие в этих реакциях, вполне способны
поставлять необходимое количество энергии в оболочку, оставшуюся при взрыве
предсверхновой, чтобы объяснить длинный экспоненциальный “хвост” кривых блеска
Сверхновых I типа.
Проведенные расчеты свидетельствуют о том, что для
энергетического обеспечения кривых блеска Сверхновых I типа за счет
рассмотренной цепочки радиоактивного распада требуется, чтобы при взрыве
предсверхновой синтезировалось никеля в количестве от 0,6 до 1,2 Mc. Характерное время
захвата электронов ядрами Ni56 составляет всего около 6 сут, и поэтому
сопоставить полученную оценку с результатами наблюдений практически невозможно.
Однако в спектрах Сверхновых и их остатков должны быть линии излучения железа,
по которым можно оценить содержание этого элемента в оболочках, оставшихся после
взрыва предсверхновой. Так, например, Р. Киршнер и Дж. Оук, анализируя оптический
спектр Сверхновой I типа, вспыхнувшей в 1972 г. (естественно, в другой
галактике), показали, что ряд особенностей спектра, видимо, вызваны наложением
различных линий излучения ионизованного железа.
Правда, надо отметить, что проведенные тогда оценки общего
количества железа в оболочке этой Сверхновой дали удручающий результат — всего
около 0,01 Me. Такое количество железа было намного ниже требуемого и поэтому вызывало
различные кривотолки, однако выход из создавшейся кризисной ситуации нашел И. С.
Шкловский. Он показал, что физические условия, существующие в остатке
Сверхиовой, способствуют пребыванию там железа преимущественно в состоянии
двукратной ирнизации (Fe III), а линии излучения Fe III за метны лишь в других
диапазонах спектра. Действительно, с помощью аппаратуры спутника “ИУЭ”
впоследствии были обнаружены сильные линии ионизованного железа в
ультрафиолетовом спектре остатка Сверхновой I типа, вспыхнувшей в нашей
Галактике в 1006 г. Оценки количества железа, проведенные на основании этих
данных, дали порядка 1 Mc, что вполне согласуется с
выводами теории.
Наконец, сравнительно недавно был получен результат, прямо
свидетельствующий в пользу радиоактивного механизма накачки энергии в оболочках
Сверхновых I типа. Анализируя спектр все той же Сверхновой 1972г., американский
астрофизик Т. Аксельрод в 1980 г. выявил в нем две линии излучения двукратно
ионизованного кобальта (Со III). Примечательно, что эти линии были хорошо
заметны в спектре Сверхновой на 133-е и 264-е сутки, но уже отсутствовали на 376-е
сутки (т. е. спустя 114 сут) после максимума блеска. Все это естественно
объясняется радиоактивным распадом ядер Co56,
причем характерное время захвата
электрона и испускания позитрона ядром
Co56 составляет как раз
114 сут.
В заключение этого раздела остановимся на некоторой
разновидности Сверхновых I типа, получивших название пекулярных. Форма их кривых
блеска напоминает обычные, но в максимуме блеска светимость пекулярных
Сверхновых I типа в 4 раза ниже. Оптический спектр спустя 2 мес после максимума
блеска также ничем не отличается, но в максимуме блеска отсутствует характерная
особенность, приписываемая линии поглощения ионизованного кремния. Имеется также
неотождествленный дублет линий с длинами волн 630 и 650 нм. Все пекулярные
Сверхновые I типа вспыхивали только в спиральных галактиках, причем впервые
именно от этой разновидности Сверхновых I типа было зарегистрировано
радиоизлучение.
Недавно был получен инфракрасный спектр одной из таких
пекулярных Сверхновых I типа, где обнаружена сильная линия ионизованного железа
(Fe II). Кроме того, имеются свидетельства о том, что скорости расширения
железной составляющей в оболочке сравнительно небольшие (около 2000 км/с). На
основании полученных спектральных данных общее количество железа в оболочке
оценивается примерно в 0,3 Mc-
|