Як помирають масивні зорі. Наднова, гіпернова чи прямий колапс?

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Ітан Сігел
Астрофізик, доктор філософії, викладач фізики та астрономії, автор безлічі науково-популярних статей, колумніст Forbes та NASA, блогер StartsWithАBang та ScienceBlog

Якщо зоря досить масивна, вона не згасне, як наше Сонце, яке після повільного горіння впродовж десятка мільярдів років, скинувши зовнішні шари, відносно спокійно перетвориться на білого карлика. Натомість у ядрі «важковаговика» почнуться нестримні реакції термоядерного синтезу. Вони рознесуть зовнішню оболонку в грандіозному вибуху наднової, а його надра під дією гравітації, стрімко стискаючись, утворять нейтронну зорю чи чорну діру. Принаймні так говорить загальноприйнята теорія.

Крабоподібна туманність — залишок наднової, що спостерігалася 1054 року. Джерело: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

Але якщо зоря ще масивніша, то такого вибуху може і не статися. У цьому разі можливий «прямий колапс» з утворенням чорної діри, яка «проковтне» всю речовину світила, не залишивши жодних видимих ​​слідів. Нарешті, існує і третій сценарій — вибух гіпернової, під час якого вивільняється значно більше енергії, ніж при вибуху наднової, а речовина зорі повністю викидається у навколишній простір, не залишаючи в центрі будь-якого компактного залишку. То як же завершують свій життєвий шлях надмасивні зорі? Ось що про це каже наука.

«Звичайні» наднові

Одразу після народження у надрах зір відбуваються реакції синтезу з перетворенням водню на гелій. Цю початкову стадію проходять всі світила: і наше Сонце, і червоні карлики, які лише в кілька десятків разів масивніші за Юпітер, і гіганти з масами в десятки й сотні сонячних. Чим масивніша зоря, тим вище температура її ядра і тим швидше вона спалює своє термоядерне пальне. Коли закінчується водень, зоряне ядро ​​стискається і нагрівається до температур, при яких починає горіти гелій, а потім і важчі елементи. У надрах світил, подібних до Сонця, температура може піднятися до значень, достатніх для протікання ядерних реакцій синтезу вуглецю. Але це вже фінал їхнього життєвого циклу. Для «запуску» наступної реакції — «горіння» вуглецю (ядерного синтезу на основі вуглецю) — світило повинно мати масу, принаймні, у 8 разів більше сонячної.

Залишок наднової — туманність W49B. Маса зорі, що вибухнула, як мінімум у 8 разів перевищувала сонячну. Зображення складене зі знімків, зроблених у рентгенівському, інфрачервоному та радіодіапазоні. Джерело: X-ray: NASA/CXC/MIT/L. Lopez et al.; Infrared: Palomar; Radio: NSF/NRAO/VLA

Сонцеподібні зорі на фінальних стадіях еволюції поступово скидають свої зовнішні оболонки, що утворюють планетарні туманності. Їхні ядра своєю чергою повільно стискаються, перетворюючись на білі карлики, збагачені вуглецем і киснем. У процесі стиснення такі об’єкти можуть пройти стадію червоного карлика, багатого на «невигорілим» гелієм. Але реакції термоядерного синтезу на основі гелію в них вже не відбуваються, і стиснення продовжується до утворення білого карлика, що складається в основному з цього елемента.

Найпотужнішим зорям наприкінці їхнього активного існування судилося пережити справжній космічний феєрверк. Найчастіше — особливо для об’єктів з масою, що наближається до значення в 20 сонячних — під час стискання ядра температура продовжує зростати, внаслідок чого запускаються процеси подальшого ядерного синтезу з утворенням більш важких елементів: кисню, неону, магнію, кремнію, сірки й далі «вгору» по таблиці Менделєєва аж до заліза, кобальту та нікелю. Як тільки синтез найважчих елементів із цього ряду вимагатиме більше енергії, ніж виділяється при гравітаційному стисненні, відбувається колапс ядра та вибух наднової.

Надмасивна зоря WR124, що належить до рідкісного класу зір Вольфа-Райє (Wolf-Rayet). Зважаючи на все, вона вже перебуває на стадії «спалювання» вуглецю у своєму ядрі. Це один із кількох тисяч об’єктів Чумацького Шляху, який може найближчим часом спалахнути як наднова. Зорю оточує туманність M1-67, що складається з речовини, яка постійно викидається нею. Вік цієї структури, зважаючи на її розміри та швидкість розширення, оцінюється приблизно у 10 тис. років. Джерело: ESA/Hubble & NASA

Це вражаючий кінець для багатьох масивних світил нашого Всесвіту. Лише один відсоток усіх світил має достатню масу для здійснення такого катастрофічного сценарію. Найпотужніші об’єкти зустрічаються набагато рідше. За сучасними оцінками, приблизно 80% зоряного населення становлять червоні карлики з масою, що не перевищує 40% сонячної. 95% зір менш масивні, ніж наше світило, але деякі з 5%, що залишилися, важчі за Сонцяев десятки та навіть сотні разів. Подібні «монстри» зустрічаються рідко, але вони надзвичайно важливі для космології. Річ у тім, що вибухи наднових — не єдиний сценарій загибелі таких світил.

Смерть «важковаговиків»

У багатьох масивних світил спостерігаються витікання та викиди речовини. На деяких етапах, коли зоря близька до завершення свого життєвого циклу, щось змушує її ядро ​​короткочасно скорочуватися, що своєю чергою призводить до його розігріву. Коли воно стає гарячим, усі типи термоядерних реакцій прискорюються, що викликає стрибкоподібне збільшення виділеної енергії. Це призводить до викиду великої кількості матерії (до десятків сонячних мас), створюючи подію, відому як «хибна наднова» (supernova impostor). Під час цього яскравість об’єкта значно зростає. Прикладом такої «хибної наднової» в XIX столітті стала η Кіля. Але всередині створеної нею туманності зоря продовжує горіти, чекаючи подальшої своєї долі.

Зображення Ета Кіля і туманності Гомункул, зроблене телескопом Hubble. Блакитний колір відповідає світінню атомів магнію. Червоний — викинутій під час «Великого спалаху» речовині, в якій домінує азот. Джерело: NASA, ESA, N. Smith (University of Arizona) and J. Morse (BoldlyGo Institute)

Яка ж доля спіткає світило з масою в 20 разів більшою за сонячну? Існує три сценарії, але поки що складно зрозуміти, які умови можуть призвести до реалізації кожного з них. Одна можливість, про яку ми вже говорили, — вибух наднової. Будь-яка надмасивна зоря на останніх стадіях горіння втрачає велику кількість своєї речовини, й у результаті її маса може стати меншою за верхню межу діапазону, що забезпечує «звичайний» спалах наднової. Але є два інших діапазони мас із поки що невідомими межами, для яких завершення життєвого циклу реалізується іншими шляхами. Такі сценарії передбачені теоретично і вони вже спостерігалися.

Прямий колапс

Перший сценарій — прямий колапс. Під час вибуху наднової ядро ​​зорі продовжує стискатися і, залежно від маси, перетворюється на нейтронну зорю або на чорну діру. У 2018 році астрономи вперше спостерігали, як об’єкт із масою 25 сонячних просто зник. Такі «важковаговики» не вмирають без будь-якого катастрофічного ефекту, але є фізичне пояснення того, що могло в цьому випадку статися: ядро ​​зорі припинило створювати достатній радіаційний тиск, щоб протидіяти гравітаційному стисненню. Якщо її центральна область стає досить щільною (іншими словами, якщо велика маса ущільнюється всередині досить малого об’єму) — утворюється чорна діра і виникає горизонт подій. Ця чорна діра може поглинути всю речовину навколишніх оболонок.

Імовірна еволюція внутрішньої будови надмасивної зорі на завершальних стадіях її активного існування, що ведуть до спалаху наднової типу II та утворення чорної діри. Джерело: Nicole Rager Fuller for the NSF

Передбачалося, що прямий колапс можливий для дуже масивних світил — з масами, що мінімум у 200 разів перевищують сонячну. Але нещодавні спостереження зникнення «маломасивної» зорі (25 сонячних мас) порушили нові питання. Ймовірно, ми не до кінця розуміємо процеси, що відбуваються в зоряних надрах: не виключено, що існують інші умови, за яких зоря може «канути в небуття», не викидаючи у міжзоряний простір помітної кількості речовини. Якщо це так, то утворення чорних дір за допомогою подібного колапсу має бути набагато поширенішим явищем, ніж передбачалося раніше. Можливо, саме так Всесвіт створював надмасивні чорні діри на ранніх етапах свого існування.

Але є й інший сценарій, що призводить до появи більш видовищного світлового шоу, ніж може запропонувати «звичайна» наднова — вибух гіпернової!

Занадто багато енергії

Вибухи гіпернових також називають надяскравими надновими. У максимумі вони мають набагато більшу яскравість і демонструють зовсім інші криві блиску на ділянках його зростання та падіння. Коли речовина, що перевершує за масою Сонце більш ніж у сто разів, колапсує в невеликий об’єм, виділяється колосальна кількість енергії, достатня для народження з фотона пари електрон-позитрон (процес, зворотний анігіляції). Що таке електрони, нам добре відомо з повсякденного життя. Позитрони — це античастинки, симетричні електронам, і вони дуже особливі.

На лівому зображенні, отриманому 2007 року, видно зорю N6946-BH1, яка у 25 разів перевищувала за масою наше Сонце. У 2009-му вона ненадовго трохи збільшила яскравість, але потім повністю зникла, як це видно на знімку праворуч, зробленому 2015 року. На місці, де раніше була зоря, пізніше виявили слабке інфрачервоне джерело. Джерело: NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

Коли позитрони присутні десь у великій кількості, вони неминуче стикаються з будь-якими навколишніми електронами. Такі зіткнення призводять до анігіляції обох частинок, виробляючи два гамма-фотони з дуже специфічною високою енергією. Якщо швидкість утворення позитронів (а отже, гамма-випромінювання) є досить низькою, ядро ​​зорі залишається стабільним. Але якщо ця швидкість більша за деякі межі, всі надмірні гамма-фотони з енергією 511 кеВ і вище нагріватимуть ядро. Іншими словами, якщо ці електрон-позитронні пари народжуються з певною швидкістю, але ядро, як і раніше, колапсує, процес утворення пар прискорюється, продовжуючи його нагрівати. Однак це не може тривати довго і закінчується грандіозним вибухом гіпернової, після якого речовина масою понад сотню сонячних розлітається в просторі.

Вибух гіпернової з ближчої відстані в уявленні художника Джерело: NASA/CXC/M.Weiss

Отже, ми маємо чотири можливі сценарії «смертного часу» надмасивного світила. При першому з них відбувається спалах наднової та утворюється нейтронна зоря, оточена газовою туманністю (залишком наднової малої маси). При другому спалах завершується утворенням туманності та чорної діри. При третьому виникає тільки дуже масивна чорна діра, що поглинула всю речовину оболонок, які її оточують. Нарешті, наймасивніші зорі залишають по собі лише туманність — залишок гіпернової.

Знімок галактики NGC 1260 із гіперновою SN 2006gy у ближньому інфрачервоному діапазоні. Більш слабкий зелений об’єкт ліворуч і нижче центра — галактичне ядро, яке має значно тьмяніший вигляд, ніж гіпернова (праворуч вгорі). Джерело: Lick/UC Berkeley/J.Bloom & C.Hansen

Раніше, коли ми виявляли дуже масивну зорю, то могли припустити, що зрештою вона спалахне як наднова з утворенням чорної діри або нейтронної зорі. Тепер ми знаємо, що є два інші можливі варіанти, які вже спостерігалися і мають реалізовуватися досить часто у космічному масштабі. Вчені все ще намагаються зрозуміти, за яких умов відбувається кожна з цих подій. Наступного разу, коли ви подивитеся на зорю, що в багато разів перевищує за розміром і масою Сонце, не думайте, що «наднова» — це її обов’язковий фінал. Такі об’єкти проживають коротке, але бурхливе життя і мають кілька варіантів своєї загибелі. Ми знаємо, що наш Всесвіт почався з вибуху. Що ж до найпотужніших світил, то астрономи досі не впевнені, чи завершують вони своє життя грандіозним вибухом, що повністю руйнує їх, або ж останнім подихом, безповоротно провалюючись у гравітаційну прірву.