Путеводитель по фейерверкам Вселенной: от ядерных вспышек сверхновых до плазменных языков черных дыр
Содержание
- Звездные вспышки
- Классические новые звезды
- Термоядерные сверхновые
- Коллапсирующие сверхновые
- Килоновые
- Быстрые радиовсплески
- Гамма-всплески
- Событие приливного разрушения
- Активные ядра галактик
Путеводитель по фейерверкам Вселенной: от ядерных вспышек сверхновых до плазменных джетов черных дыр
Путеводитель по фейерверкам Вселенной: от ядерных вспышек сверхновых до блазаров и черных дыр
реклама
Ночное небо далеко не безмятежно, оно являет собой буйство потрясающих взрывов и вспышек, которые открывают перед нами Вселенную в ее самых невероятных проявлениях.
Для человеческого глаза ночное небо кажется безмятежным, если не считать Луны и пары блуждающих планет. Однако если взглянуть в космическое пространство с помощью телескопа, способного за несколько дней охватить все небо, то оно предстанет перед нами в виде грандиозного космического фейерверка - буйства взрывов и вспышек, излучаемых во всех диапазонах электромагнитного спектра, от радиоволн до гамма-излучения.
Астрономы мечтают поймать эти мимолетные астрофизические явления, известные как переходные процессы, потому как они могут многое рассказать о Вселенной - от того, как ведет себя материя в самых экстремальных условиях, до того, как эволюционирует космос. Благодаря обсерватории имени Веры К. Рубин в Чили, которая, как ожидается, будет регистрировать 10 миллионов переходных явлений за ночь, когда она заработает на полную мощность в следующем году, мы увидим их гораздо больше.
реклама
Проблема в том, что неискушенному наблюдателю бывает трудно разобраться в переходных процессах. Прежде всего, похожие на первый взгляд вспышки могут иметь совершенно разное происхождение, и наоборот. Так, например, один и тот же источник может порождать множество различных астрофизических сигнатур. Одно только это может заметно усложнить понимание смысла происходящего.
Поэтому ниже приводится краткое руководство, которое также является путеводителем по изучению причин и последствий этих эфемерных явлений - и того, как в некоторых случаях они бросают вызов нашему классическому пониманию Вселенной.
Звездные вспышки
Электромагнитные выбросы "живой" звезды
Давайте начнем с самого простого. Звездная вспышка — это взрыв в атмосфере звезды, который приводит к масштабному выбросу радиации в электромагнитном спектре. Например, когда на Солнце происходит вспышка, мы видим внезапный скачок яркости, после чего звезда вновь возвращается в состояние "покоя". Нечто подобное происходит и в звездах самых разных размеров, температур и светимостей.
Изображение вспышки на красной карликовой звезде. Наш ближайший звездный сосед, Проксима Центавра, часто разражается большими и мощными вспышками, свидетельствуют результаты последнего исследования. (Изображение предоставлено Центром космических полетов имени Годдарда НАСА / С. Wiessinger.)
реклама
О причинах подобных явлений на нашем Солнце нам уже кое-что известно. Все дело в его магнитном поле, которое создается кипящими газами, из которых состоит каждая звезда. Эти газы находятся в постоянном движении из-за конвекции во внешних слоях Солнца и вращения нашей звезды, поэтому линии магнитного поля постоянно вытягиваются и запутываются, подобно клубку ниток. Когда эти линии соприкасаются, они сливаются, образуя петли, выделяя при этом огромное количество энергии. На поверхности Солнца они быстро нагревают окружающую атмосферу и ускоряют движение частиц, что приводит к возникновению ярких вспышек.
Иногда избыток энергии может привести к тому, что часть солнечного вещества вырывается наружу в виде коронального выброса массы. В некоторых случаях они достигают Земли и взаимодействуют с ее магнитным полем, что может создать угрозу для спутников и даже наземной инфраструктуры. Именно поэтому астрономы постоянно следят за активностью Солнца, чтобы предупредить о надвигающихся солнечных бурях.
Кроме того, ученые наблюдают за вспышками на других звездах, отчасти для того, чтобы понять, как это отразится на планетах, вращающихся вокруг них, что будет иметь огромное значение для пригодности этих объектов для жизни. Одна из теорий заключается в том, что звездные вспышки могут подвергнуть зарождающуюся жизнь на близлежащих мирах фатальному уровню радиации. Однако недавние наблюдения за экзопланетой под названием Проксима b свидетельствуют о том, что подобные вспышки могут, наоборот, создать условия, благоприятные для зарождения жизни. Например, изменив атмосферу так, что она сможет удерживать тепло там, где в противном случае было бы слишком холодно.
Классические новые звезды
Остывающие останки маломассивных звезд
Классические новые звезды — это яркие вспышки белых карликов - "оголенных" инертных ядер, которые остаются после того, как маломассивные звезды (масса которых обычно не превышает восьми солнечных масс) разрушают свои внешние слои в конце жизненного цикла.
реклама
Израсходовав свое топливо и не в состоянии зажечь реакции термоядерного синтеза в оставшемся углероде и кислороде, такие ядра остывают и тускнеют, постепенно излучая тепло от ядерных реакций на протяжении всего жизненного цикла. Их электроны так плотно упакованы, что оказывают квантово-механическое давление, известное как давление вырождения, которое не позволяет белым карликам разрушаться под действием гравитации. Если белый карлик один, то он будет продолжать медленно остывать и тускнеть. Однако если у него есть компаньон, все может стать более взрывоопасным.
Впечатление художника от взрыва периодической новой RS Змееносца. Это бинарная звезда в созвездии Змееносца. Она находится на расстоянии около 2000 световых лет от нашей планеты. Она вспыхивает примерно раз в 20 лет, когда газ, вытекающий из большой звезды и падающий на белый карлик, достигает температуры, превышающей десять миллионов градусов. Источник изображения: Дэвид Харди
В бинарных системах, где две звезды вращаются вокруг общего центра масс, одна звезда достигает стадии белого карлика, в то время как другая продолжает активно синтезировать элементы в своем ядре. Если таки объекты находятся достаточно близко, гравитационное поле белого карлика начинает втягивать вещество с поверхности его компаньона, формируя аккреционный диск. Обычно это газообразный водород. По мере накопления этот материал нагревается. Если температура дойдет до критического уровня, в звезде начнется реакция термоядерного синтеза с немедленным высвобождением всей энергии. В результате происходит кратковременное увеличение светимости - в этот момент белый карлик становится в десятки тысяч раз ярче нашего Солнца.
И такой процесс может происходить несколько раз. Ученые считают, что после того, как весь водород будет израсходован, цикл начнется заново, что приведет к появлению “повторных новых“. Подобные явления наблюдаются редко. Например, в 2021 году ученые заметили одну из них под названием RS Ophiuchi, после того как уже видели ее извержение в 2006 и 1985 годах". Таким образом эксперты пришли к выводу, что мощные вспышки у большинства “повторных новых“ наблюдаются c интервалом в несколько десятков лет.
Термоядерные сверхновые
Ускоренный термоядерный синтез в "жадном" белом карлике
Как и классические новые, источники таких взрывов, часто называемых сверхновыми типа Ia, - белые карлики в бинарных системах. Однако в данном случае, по мере того как белый карлик накапливает вещество от своего компаньона, его масса увеличивается до предела, когда давление вырождения уже не может противостоять гравитации. Этот рубеж равен 1,4 массы нашего Солнца и известен как предел Чандрасекхара, по имени физика, который его вычислил.
Но прежде, чем звезда коллапсирует сама в себя, температура в ее ядре поднимется настолько, что содержащийся в нем углерод сможет наконец "загорится" в реакциях ядерного синтеза. Это приводит к термоядерному разгону: выделяющаяся энергия еще больше повышает температуру, что увеличивает скорость слияния ядер углерода и так далее. В итоге звезда взрывается. Во время этой вспышки она становится в 5 миллиардов раз ярче Солнца.
Тот факт, что только белые карлики, близкие к пределу Чандрасекхара, способны взрываться таким образом, делает их более или менее однородно яркими. Поэтому ученые назвали их "стандартными свечами". "Если мы видим одну из них, то по ее яркости мы узнаем, на каком расстоянии она находится. Мы использовали их при измерении расширения Вселенной и обнаружили, что скорость расширения растет. Многие космологи объясняют это тем, что во Вселенной присутствует таинственная сущность, называемая темной энергией", считает астрофизик из Лейденского университета Мария Ариас.
Однако стандартные свечи могут оказаться не такими уж стандартными, как кажется на первый взгляд. Выяснилось, что их яркость может меняться в зависимости от системы-родителя, а также от того, в какой галактике они расположены. Это очень важно, потому что даже крошечные погрешности в результатах наших измерений космического расширения могут иметь серьезные последствия для понимания того, чем на самом деле является темная энергия.
Коллапсирующие сверхновые
Драматический "финал" массивных звезд
Этот класс сверхновых отличается от термоядерных и классических новых тем, что они представляют собой вспышки звезд, не ставших белыми карликами. То, что они примерно такие же яркие и энергичные, как сверхновые типа Ia, - просто космическое совпадение, потому что это совершенно "разные звери". По сути, это явление представляют собой коллапс и “отскок” массивной звезды.
Самые крупные звезды - от восьми солнечных масс и выше - не превращаются в белые карлики. Температура в их ядрах настолько высока, что они могут сплавлять все более тяжелые элементы до образования железа, которое не способно соединиться ни с каким другим элементом для высвобождения энергии. Во время жизни звезды ядерные реакции в ее ядре обеспечивают достаточное внешнее давление, чтобы противостоять массе ее слоев. Но когда в ядре заканчивается топливо, оно больше не может поддерживать вес внешней оболочки, и звезда коллапсирует сама в себя.
Поверхность звезды во время вспышки сверхновой разлетается на куски из-за сильного давления и энергии, возникающих при взрыве. Внешние слои звезды выбрасываются с большой скоростью, а внутреннее ядро звезды разрушается. Этот коллапс создает ударную волну, которая проходит через оставшийся материал, заставляя его отскочить и расшириться наружу. Этот процесс известен как "отскок", и считается, что он является важной частью механизма сверхновой. На снимке SN1987A- сверхновая с коллапсом ядра. Событие произошло на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке. Свет вспышки достиг нашей планеты 23 февраля 1987 года. Изображение получено с помощью космического телескопа "Джеймс-Уэбб". Джейсон Пун (NOAO)/ коллаборация SINS.
Коллапс перетекает во взрыв, потому что вещество меняет направление. Ученые не до конца понимают, как это происходит. Но идея состоит в том, что газ в ядре становится настолько плотным, что больше уже не может сжиматься, поэтому материал, падающий внутрь из внешних слоев, отражается от него, создавая ударную волну. Затем вещество вырывается из звезды со скоростью более 10 000 километров в секунду, высвобождая огромное количество энергии, что запускает дальнейшие ядерные реакции. Это главный источник элементов тяжелее железа во Вселенной, обогащающих межзвездную среду и определяющих эволюцию окружающего пространства.
От звезды остается лишь часть внутренних слоев, которые образуют либо чрезвычайно плотный шар из нейтронов - нейтронную звезду, - либо черную дыру. Это самые экзотические формы материи во Вселенной, где пересекаются законы общей теории относительности (теория гравитации Альберта Эйнштейна) и квантовой механики (описывающей субатомный мир). Таким образом, все это выходит за рамки нашего нынешнего понимания физики.
Килоновые
Большие взрывы от столкновения нейтронных звезд
Названные так за то, что эти вспышки примерно в 1000 раз ярче, чем классические новые (см. "Классические новые звезды" "), килоновые образуются совсем не так, как новые или сверхновые звезды.
Нейтронные звезды, которые сами являются чрезвычайно плотными остатками некоторых сверхновых с коллапсом ядра (см. "Коллапсирующие сверхновые""), представляют собой экзотическую форму материи, удерживаемую вместе давлением вырождения, создаваемым нейтронами. Когда две нейтронные звезды вращаются вокруг общего центра масс, система высвобождает энергию в виде пульсаций в пространстве-времени, называемых гравитационными волнами. В конце концов две нейтронные звезды сталкиваются, и мы видим мощную вспышку в оптическом, инфракрасном и гамма-диапазонах электромагнитного спектра.
Килоновые очень важны для изучения эволюции нашей Вселенной, поскольку именно в таких экстремальных условиях, создаваемых этими мощными космическими взрывами, синтезируются такие тяжелые элементы, как золото, платина и уран. (Изображение предоставлено: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)
Многое из того, что ученым сегодня известно о килоновых, удалось узнать благодаря обнаружению гравитационно-волновому всплеску под названием GW170817. Это событие было зарегистрировано в 2017 году и тогда все приборы, ведущие совместные наблюдения во всем электромагнитном спектре, обратили на него особое внимание. В результате экспертам удалось накопить великолепный набор данных, который подтвердил некоторые давние гипотезы о килоновых звездах. Во-первых, подтвердилась гипотеза о том, что слияния нейтронных звезд вызывают короткие и интенсивные всплески гамма-излучения. Во-вторых, было доказано, что такие слияния являются местом образования элементов, при котором нейтроны поглощаются в атомном ядре, в результате чего образуются тяжелые металлы, такие как платина и золото.
После слияния остается либо черная дыра, либо более крупная нейтронная звезда. Однако о деталях таких процессов можно только догадываться, поскольку мы не знаем, как связаны между собой давление, плотность, температура и состав газа нейтронов, сжатого до такой степени, что они не могут быть упакованы еще более плотно. Это "уравнение состояния" в нейтронных звездах остается одним из самых больших открытых вопросов в астрофизике.
Быстрые радиовсплески
Загадочные импульсы из далекого далека
Впервые быстрые радиовсплески (БРВ) были обнаружены благодаря изучению архивных данных в 2007 году. Они представляют собой невероятно мощные импульсы радиоволн длительностью в миллисекунды, исходящие от далеких галактик. Поначалу они заставили астрономов поломать себе головы: что это за событие, способное за долю секунды высвободить столько энергии, сколько Солнце излучит за 100 000 лет?
Второй всплеск был замечен в 2012 году, и с тех пор каталог Fast Radio Bursts (FRB) заметно расширился: по состоянию на июль 2023 года в нем зарегистрировано свыше 675 подобных событий. В результате наше понимание природы этих явлений значительно расширилось.
Анимация путешествия сигнала FRB 181112 в космическом пространстве. В этом ролике показан путь быстрого радиовсплеска FRB 181112 из далекой галактики-хозяина до нашей планеты. FRB 181112 был впервые обнаружен австралийским радиотелескопом ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder). Последующие наблюдения с помощью Очень большого телескопа ESO (VLT) показали, что радиоимпульс на пути к Земле прошел через гало массивной галактики. Это открытие позволило астрономам проанализировать радиосигнал в поисках подсказок о природе газового гало.
Быстрые радиовсплески столь яркие и недолговечные, что порождающие их объекты должны быть невероятно плотными. Ученым также известно, что это радиоизлучение поляризовано, а значит, источник должен обладать очень сильным магнитным полем. Но самым главным кусочком пазла стало открытие "повторителей", то есть более одной вспышки, наблюдаемой из одного и того же источника. По мнению ученых, то, что порождает FRB, не всегда разрушается в ходе процесса. В итоге астрофизики предположили, что БРВ — это выбросы от сильно намагниченных молодых нейтронных звезд, называемых магнетарами.
Астрономы также пытаются понять, как использовать эти открытия для исследования дальних областей космоса. Каждый импульс БРВ прибывает на Землю в широком диапазоне радиочастот, и по временной задержке между высоко- и низкочастотными сигналами можно сделать вывод о некоторых свойствах пространства, через которое они прошли. Поскольку в большинстве случаев источники БРВ находятся в очень далеких галактиках, информация, которую они содержат, может многое рассказать об огромных пустотах между галактиками. В том числе о силе магнитных полей в этих местах и об их существовании в ранней Вселенной. Возможно, это заставит космологов переосмыслить роль магнетизма в эволюции космоса.
Гамма-всплески
Самые яркие вспышки во Вселенной
Гамма-лучи — это самая высокоэнергетическая форма света, а гамма-всплески (GRB) - самые яркие и энергичные переходные явления, которые мы когда-либо наблюдали. Они могут длиться от миллисекунд до минут, но часто демонстрируют послесвечение в рентгеновском, оптическом и радиоизлучении, что позволило астрономам изучить источники, которые их порождают.
Астрономы обнаружили, что существуют две разные популяции GRB. Длинные GRB, которые имеют длительность от 2 секунд до минуты, предположительно порождаются сверхновыми с коллапсом ядра (см. "Сверхновые с коллапсом ядра""). В результате коллапса образуется черная дыра, которая превращает остатки звезды в мощные реактивные джеты. Короткие GRB, длительностью менее 2 секунд, связаны со слиянием более компактных объектов, таких как нейтронные звезды или черные дыры. Это было доказано в 2017 году, когда гравитационно-волновой сигнал GW170817 связали со столкновением двух нейтронных звезд. Последующие наблюдения показали, что при таких условиях короткий GRB генерируется вместе с появлением килоновой (см. "Килоновые").
Анимация мощного гамма-всплеска вырывающегося из плотной среды вокруг коллапсирующей массивной звезды. (Изображение предоставлено NASA, ESA и M. Kornmesser).
Всплески гамма-лучей до сих пор преподносят сюрпризы экспертам. В 2022 году астрономы обнаружили самый мощный длинный GRB, который мы когда-либо наблюдали, и окрестили его "BOAT" - ярчайший из всех времен - на том основании, что это, вероятно, самый яркий сигнал, попавший на Землю с начала существования человеческой цивилизации.
Наблюдения за послесвечением таких событий наводят на мысли о том, что они могли произойти не от сверхновой, как предполагалось, поскольку непонятно, находилась ли она вообще поблизости. В 2023 году также был зарегистрирован длинный GRB, который, по-видимому, возник в результате столкновения двух звезд, что еще больше ставит под сомнение правильность понимания природы этих всплесков.
Событие приливного разрушения
Звезды, разорванные на части "голодными" черными дырами
Эти яркие вспышки, длящиеся, как правило, несколько месяцев, возникают, когда звезда слишком близко приближается к сверхмассивным черным дырам - гравитационным гигантам, которые находятся в центре каждой галактики и имеют массу, в миллионы и даже миллиарды раз превышающую массу нашего Солнца.
Для большинства из нас знакомство с приливными силами ограничивается наблюдением за тем, как повышается и понижается уровень моря на побережье. Это происходит из-за гравитационного взаимодействия Земли и ее спутника Луны. Гравитационное притяжение сверхмассивной черной дыры, как вы понимаете, гораздо более мощное: стоит несчастной звезде приблизиться к черной дыре, как приливные силы разрывают ее на части, в некоторых случаях выбрасывая струи горячей материи и радиации, которые можно заметить даже с Земли.
Впечатление художника о событии приливного разрушения (звезда разрывается на части черной дырой). Credit: NASA / CXC / M. Weiss.
Ученым удалось запечатлеть всего лишь около 125 таких событий, и до конца не ясно, как возникают реактивные струи черных дыр. Гипотеза заключается в том, что по мере растяжения и разрушения звезды часть ее материала собирается в диск вокруг черной дыры, а мощная гравитация ЧД в свою очередь заставляет этот материал вращаться и нагреваться.
Ученым удалось запечатлеть всего лишь около 125 таких событий, и до конца не ясно, как возникают реактивные струи черных дыр. Гипотеза заключается в том, что по мере растяжения и разрушения звезды часть ее материала собирается в диск вокруг черной дыры, а мощная гравитация ЧД в свою очередь заставляет этот материал вращаться и нагреваться. Благодаря мощным магнитным полям и сохранению углового момента, материал накапливается, вызывая яркие вспышки. В соответствующих условиях возможно образование джетов.
События приливных разрушений могут многое рассказать нам о сверхмассивных черных дырах - от их массы до механизмов формирования джетов. Следует отметить, что каждое такое событие — это конкретный пример того, как черная дыра поглощает материю и растет с течением времени. Другими словами, они являются своеобразными окнами к "рациону" черной дыры.
Активные ядра галактик
Сверхмощные струи, затмевающие целые галактики
Активные ядра галактик (АЯГ), претендующие на звание самых драматичных из всех переходных процессов. По сути, это гигантские аккреционные события вокруг сверхмассивных черных дыр, которые могут испускать столько излучения, в основном в виде джетов, что они затмевают всю галактику-хозяина. Когда такие струи устремлены в сторону Земли, их называют блазарами. Когда они направлены к нам под небольшим углом, их называют квазарами.Центавр А отличается искривленным центральным диском из газа и космической пыли, что является доказательством его столкновения и слияния с другой галактикой. В нем также есть активное галактическое ядро, которое периодически испускает реактивные струи. Центавр А пятая по яркости галактика. Она расположена от Земли на расстоянии примерно 13 млн световых лет. Столь "близкое" расстояние делает ее идеальным объектом для изучения активного галактического ядра - сверхмассивной черной дыры, испускающей джеты и звездный ветер (Активное галактическое ядро в Центавре А. ESO/WFI/MPIfR/APEX/A.Weiss et al/NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.)
Активные ядра галактик порождают столь мощные струи, благодаря аккреции - одному из наиболее эффективных способов преобразования гравитационной потенциальной энергии в другие формы энергии, такие как тепло и излучение. По мере того, как газ и пыль закручиваются все ближе к сверхмассивной черной дыре, их гравитационная потенциальная энергия преобразуется в тепло, которое излучается в виде электромагнитных волн.
Столь ослепительными АЯГ делает аккреция, которая порождает радиоволны, которые мы наблюдаем в виде реактивных джетов. Эти выбросы могут распространяться во много раз дальше, чем за пределы галактики-хозяина.
Но интерес астрономов к активным ядрам галактик объясняется прежде всего тем, что они играют важнейшую роль в эволюции самих галактик. Когда порождающие их сверхмассивные черные дыры проходят через периоды активности и покоя, они вызывают ряд эффектов обратной реакции с газом и пылью в галактике-хозяине. Те, в свою очередь, вызывают циклы звездообразования, заряжают энергией межзвездную среду и увеличивают массу черной дыры - все это имеет огромные последствия для эволюции галактик-хозяев. Наблюдения за активным ядрам галактик из далекой и, следовательно, самой ранней Вселенной также дают ключ к разгадке тайны формирования сверхмассивных черных дыр, которая до сих пор остается одной из самых больших загадок космологии.
Лента материалов
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила