«Одного вечора, коли я, як завжди, споглядав небозвід, вид якого був мені такий знайомий, я з невимовним подивом побачив поблизу зеніту, в Кассіопеї, сяючу зірку надзвичайної величини. Вражений і здивований, я не міг повірити своїм очам…»
Тихо Браге, листопад, 1572 р.
Уявіть, що, роздивляючись на небі знайомі візерунки сузір’їв, ви раптом помічаєте в одному з них нову зорю. І не просто зорю, а надзвичайно яскраву, що блиском не поступається масивному гіганту Юпітеру чи навіть Венері! Саме таким видавався для наших далеких предків вибух наднової. Але що про це дивовижне явище знають сучасні науковці? І чи може такий вибух зашкодити нам?
Незвана гостя
Записи про нові зорі, що зненацька з’являлися на небосхилі й спостерігалися місяцями, сягають корінням в далеке минуле. До епохи Ренесансу вони надзвичайно дивували людей і порушували їхню віру в сталість та незмінність вигляду неба, хоча загалом вважалися добрим знаменням.
Найдавніший запис про подібне явище зберігся завдяки астрономам стародавнього Китаю і датується 185 роком нашої ери: нова зоря, відома зараз як SN 185, з’явилася у сузір’ї Кентавра і спостерігалася впродовж 8 місяців. У літописах про такі нові зорі згадували як про «зірки-гості», наголошуючи тим самим на тимчасовості явища. А славетний данський астроном XVI століття Тихо Браге називав їх nova, припускаючи, що саме таким є народження нової зорі.
До ХХ століття усі «нові зорі» вважалися однаковими чи майже однаковими. Це уявлення докорінним чином змінилося, коли Едвін Габбл переконливо показав, що Туманність Андромеди насправді є іншою далекою галактикою, а відтак відкрита в ній у 1885 році нова S Андромеди має бути насправді надзвичайно яскравою. Подібні потужні явища стали називати надновими, відокремлюючи їх тим самим від класичних нових, що відрізнялися меншим піковим блиском.
Як і деякі інші астрономічні терміни, поняття «нова» та «наднова» мають феноменологічне походження, тобто відображають характер спостережуваного явища, а не його сутність. Сучасним науковцям відомо, що спалахи нових та наднових насправді виникають у дуже старих зорях чи їхніх системах. Але астрономія в цьому плані є достатньо консервативною наукою: терміни, що вже прижилися, не змінюють навіть коли реальна фізична природа явища вже розкрита.
Вибух нової збільшує яскравість зорі приблизно у 10 000 разів, тоді як під час спалаху наднової блиск зростає у мільярди разів. Якщо мова про наднову в іншій галактиці, то нерідко потік випромінювання в момент вибуху можна порівняти з випромінюванням цілої галактики.
Впродовж останніх 5 років в середньому відкривали приблизно по 21 тисячі наднових щорічно — як за допомогою автоматичних оглядів (таких, наприклад, як ZTF — Zwicky Transient Facility), так і силами астрономів-аматорів. Але всі вони перрребували в інших галактиках.
Вибухові подвійні системи — наднові типу Ia
На сьогодні виділяють доволі багато типів наднових, спираючись переважно на їхні спектри, але основних механізмів є два: вибух у подвійній зоряній системі та вибух одинокої масивної зорі на кінцевому етапі її еволюції.
Якщо у подвійній зорі одним із компонентів є масивний білий карлик, що складається переважно з вуглецю та кисню, то систему можна вважати гарним кандидатом в наднові. Другим компаньйоном при цьому може бути майже будь-яка зоря: червоний гігант, червоний карлик, «звичайна» зоря типу нашого Сонця чи навіть інший білий карлик. Головною передумовою є їхня тісна взаємодія.
Масивний білий карлик поступово перетягує речовину зі свого зоряного компаньйона, накопичуючи її на поверхні, і в якийсь момент його маса перевищує гранично допустиму. Ця межа відома як межа Чандрасекара і складає близько 1,4 сонячних мас. У міру накопичення речовини температура та тиск у ядрі білого карлика зростають, розпочинається некерований термоядерний синтез і буквально впродовж кількох секунд зоря вибухає, повністю руйнуючись.
Інший механізм передбачає злиття двох менш масивних білих карликів. Якщо їхня сумарна маса перевищить межу Чандрасекара, то це, знову ж таки, призведе до підвищення температури, початку термоядерних реакцій та вибуху наднової.
У момент вибуху, за того чи іншого сценарію, відбувається справжня магія Всесвіту — народжуються важкі елементи. Речовина розкидається у навколишній простір із шаленою швидкістю — до кількох відсотків від швидкості світла. Ну а вчені на Землі фіксують вибух наднової типу Ia.
Для астрономів наднові типу Ia є справжнім «Святим Ґраалем». Завдяки тому, що всі вони мають приблизно однакову максимальну світність і є достатньо яскравими, аби зафіксувати вибух у далекій галактиці, науковці використовують їх як стандартні свічки. Іншими словами, саме завдяки надновим типу Ia стали відомі відстані до великої кількості галактик.
До цього типу відносять Наднову Тихо у сузір’ї Кассіопеї, відому ще як SN 1572 (за роком спалаху), детально описану Тихо Браге, що регулярно її спостерігав, поки вона була видимою неозброєним оком. До винаходу телескопа залишалося ще кілька десятиліть.
Як гине самотня масивна зоря — наднові типів Ib та II
У будь-якій невиродженій зорі (що не є ані білим карликом, ані нейтронною зорею) відбувається постійне протистояння: гравітація намагається стиснути кулю розжареної плазми, а тиск, зумовлений термоядерними реакціями в її ядрі, цьому протидіє.
Хоча це і контрінтуїтивно, але чим більша зоря за масою, тим коротшим є її життя. Здавалося б, за наявності великих запасів водню, що можна перетворювати на гелій та більш важкі елементи, світила великих мас мають довше протистояти гравітації. Насправді ж термоядерні реакції в таких зорях відбуваються по значно більшому об’єму, ніж у карликів, подібних до нашого Сонця.
Масивні зорі «гуляють як востаннє»: вони перетворюють водень на гелій надзвичайно швидко, палають яскраво, і тому вже впродовж кількох десятків мільйонів років водневе паливо вичерпується. Тепер поблизу ядра в хід іде гелій, для спалення якого потребуються вищі температури. В подальших термоядерних реакціях синтезуються вуглець, неон та кисень, а при достатній масі зорі в самому центрі можуть утворитися кремній та залізо. Синтез більш важких елементів виявляється для зорі «невигідним», оскільки на нього йде більше енергії, аніж виділяється, і тому залізо іноді називають зоряним попелом. На цьому етапі зоря схожа на цибульку: ззовні залишається водневий шар, а чим ближче до центру, тим більш важкі елементи превалюють у хімічному складі.
Іноді дуже масивні зорі заздалегідь позбавляються зовнішніх шарів водню та гелію. Оголюючи ядро, вони роздувають навколо себе видовищну туманність. Такі об’єкти називаються зорями Вольфа — Райє. Коли ж термоядерний синтез більше не в змозі компенсувати гравітацію, центральна частина зорі колапсує (різко невпинно стискається), розкидуючи зовнішні шари — відбувається вибух наднової типу Ib, спектр якої не містить ліній водню.
Якщо зоря масою у 8–50 сонячних зберегла свою оболонку, то в хімічному складі наднової фіксується водень, а саму наднову відносять до типу II. Такі наднові характерні для спіральних галактик і часто спостерігаються в їхніх рукавах, де доволі бурхливо йде процес зореутворення.
Що залишається після вибуху?
Окрім того, що сама наднова є явищем вражаючим уяву, вона ще й залишає по собі дивовижної краси туманність — так званий залишок наднової. З плином часу туманність розчиняється у космічному просторі, збагачуючи міжзоряне середовище важкими елементами. З цих елементів згодом утворюються зорі наступних поколінь та планети навколо них. З них же складається все, що нас оточує, і навіть ми з вами.
Гравітаційний колапс стискає центральну частину зорі або в нейтронну зорю, або в чорну діру. Найвідомішим прикладом такого розвитку подій є добре задокументований спалах наднової SN 1054, що відбувся в сузір’ї Тельця і потрапив у літописи астрономів Піднебесної того часу. Завдяки їхній педантичності, століттями пізніше вдалося ототожнити спалах із залишком наднової — Крабоподібною туманністю.
З огляду на кількість залишків наднових, знайдених у нашій Галактиці, подібні космічні катастрофи мають відбуватися в межах Чумацького Шляху приблизно тричі на століття. Але насправді існує лише 5 «надійних» наднових, які спостерігалися впродовж останніх 2000 років. До них належать SN 1006 (у сузір’ї Вовка, найяскравіша з усіх, що спостерігалися), SN 1054 (в Тельці), SN 1181 (Кассіопея), SN 1572 (теж Кассіопея) та SN 1604 (сузір’я Змієносця). У цих випадках був зафіксований і сам вибух, і вдалося однозначно виявити залишок після нього.
Отже, остання наднова нашої Галактики спостерігалася у 1604-му, вона відома як Наднова Кеплера. Але, проаналізувавши туманності-залишки, вчені припускають, що приблизно у 1680 році в сузір’ї Кассіопеї мала бути ще одна наднова, і ще одна повинна була спостерігатися у 1800–1900 роках у Стрільці.
Невидимі гіганти
Крабоподібна туманність має доволі маленький видимий розмір — лише 6 кутових хвилин. Але, приховані від людських очей, в нашій Галактиці мешкають справді гігантські залишки наднових. Так, наприклад, діаметр Петлі Лебедя сягає 3°, а це у 6 разів більше за місячний диск! Туманність настільки величезна, що в ній виділяють окремі структури, такі як «Східна Вуаль», «Західна Вуаль» та «Відьмина Мітла».
Настільки ж гігантською є і туманність «Спагеті» (відома також як Simeis 147) на межі Візничого та Тельця, відкрита у 1952 році в Кримській астрофізичній обсерваторії. Вік туманності оцінюється у 40 000 років, а в її центрі міститься пульсар.
Точаться суперечки щодо грандіозної Петлі Барнарда — туманності, що простягається на 10° і охоплює приблизно половину сузір’я Оріона. Одні вчені зараховують її до молекулярного комплексу Оріона, інші вважають залишком наднової, що вибухнула близько 2 млн років тому. Оцінки відстаней до туманності суттєво відрізняються: приблизно від 520 до 1430 світлових років. Верхня межа узгоджується, наприклад, з відстанню до відомої Туманності Оріона (M42), світло від якої летить до нас впродовж 1340 років. А на користь «вибухового» походження Петлі Барнарда говорять кілька зір (AE Візничого, μ Голуба та 53 Овна), що доволі швидко радіально розбігаються приблизно з області геометричного центру дуги. Остання обставина натякає на вибух наднової у кратній зоряній системі.
Дехто може «піти по-англійськи»
Чи завжди масивна зоря закінчує свій життєвий шлях видовищним вибухом наднової, розповсюджуючи речовину у вигляді вражаючої туманності? Здебільшого так, але астрономам відомо кілька випадків «невдалих наднових». Щоправда, жодна з них не розташована в нашій Галактиці.
У 2009 році в галактиці NGC 6946 безслідно зник червоний надгігант масою 18–25 сонячних. І це був перший надійно встановлений випадок «невдалої наднової». А нещодавно ми повідомляли про аналогічне зникнення величезної зорі M31-2014-DS1 в галактиці Андромеди.
Механізм подібного тихого колапсу не до кінця вивчений, перш за все, через малу кількість спостережень таких явищ: окрім двох зазначених, існує лише ще один кандидат. Але вважається, що причиною феномена може бути затримка нейтрино у надзвичайно щільному ядрі, вивільнення яких зазвичай провокує утворення ударної хвилі. Якщо вивільнення не відбулося, то вся чи майже вся речовина зорі обрушується в центр, даючи життя зовсім новому об’єкту — чорній дірі.
Завчасне попередження
Для наших пращурів поява на небі того, що ми зараз називаємо надновою, була повною несподіванкою. Але якщо подібна подія станеться у наші дні, то сучасні астрономи отримають певне попередження. І справа тут якраз у вивільненні нейтрино.
Під час стиснення ядра зорі, маса якої перевищує сонячну у 8–50 разів, відбувається нейтронізація речовини: активно породжуються нейтрони та нейтрино. Нейтрино — малі частинки, що дуже слабко взаємодіють із речовиною, завдяки чому вони покидають місце катастрофи буквально за 10 секунд.
Хоча і надзвичайно легкі, вивільнені нейтрино є напрочуд швидкими, фактично їхня швидкість наближається до швидкості світла. Втрата нейтрино змушує ударну хвилю, спрямовану всередину зорі, розвернутися назовні та зруйнувати її зовнішні шари — тепер уже відбувається вибух наднової.
Отже, нейтрино отримують певну фору, а різноманітні види випромінювання мчать їм навздогін. Попри те, що ці частинки трохи повільніші за кванти, різниці у часі вивільнення може бути цілком достатньо, аби нейтрино першими дісталися спостерігача. Таким чином, якщо в нашій Галактиці вибухне наднова, першими її вибух, скоріш за все, зафіксують саме детектори нейтрино.
Цікаво, що така подія в історії астрономії і справді була. Коли в 1987 році у Великій Магеллановій Хмарі спалахнула наднова, відома зараз як SN 1987A, детектори зафіксували надлишок нейтрино за кілька годин до реєстрації спалаху в оптичному діапазоні.
Чи можуть бути наднові небезпечними для нас?
Певні панічні настрої час від часу вирують у зв’язку з потенційним скорим вибухом червоного надгіганта Бетельгейзе. Постають закономірні питання щодо впливу наднової на Землю та її біосферу. Під час цієї космічної катастрофи й справді відбувається низка подій, що потенційно може становити загрозу.
Так, наприклад, вибух супроводжується ударною хвилею, але її потужність швидко спадає. Нейтрино, що забирають із собою велику частину енергії, майже не взаємодіють з речовиною — вони пройдуть Землю наскрізь, і лише крихітна їхня частина затримається у детекторах. А от космічні промені — високоенергетичні частинки, розігнані надновою ледь не до швидкості світла — можуть справді заподіяти шкоди. Рентгенівське та гамма-випромінювання також може негативно вплинути на атмосферу: руйнуючи озоновий шар, вони роблять біосферу вразливою для ультрафіолетового випромінювання Сонця.
Проте у питанні реальної загрози від наднових вирішальним фактором є відстань. Аби наднова справді могла спричинити описаний негативний вплив, вона має перебувати у 25–30 світлових роках від нас. Наразі вважається, що вибух, який стався щонайменше у 160 світлових роках від нас, не завдасть відчутної шкоди біосфері Землі. Кількість жорсткого випромінювання усіх типів буде настільки незначною, що зафіксується лише спеціальними приладами.
Найближчим до нас кандидатом на наднові є, як не дивно, зовсім не Бетельгейзе, а подвійна зоря IK Пегаса. Вона складається з доволі масивного білого карлика та гарячої білої зорі спектрального класу А, що демонструє невеличкі пульсації. Така конфігурація дійсно може спричинити вибух наднової типу Ia. До того ж IK Пегаса розташована у 154 світлових роках від нас, що близько до «межі небезпеки». Але навіть у цій системі вибуху не очікується принаймні впродовж найближчих 1,9 млрд років.
