Подобно живым организмам, звезды имеют свой жизненный цикл, после чего погибают. Однако в отличии от людей и животных для жизненный путь звезды зачастую заканчивается взрывом или как его еще называют вспышкой сверхновой.
Когда звезда достигает конца своего жизненного цикла, она взрывается, образуя сверхновую. Как это происходит и каковы последствия? Туманность Розетта в созвездии Единорог. Soubrette/iStock. Journal Interesting Engineering.
Ученые считают, что сверхновые являются важнейшими источниками элементов с массой тяжелее железа. В результате взрыва частицы таких элементов выбрасываются в космос. Часть из них попадает на Землю. Ниже мы попытаемся, вам объяснить, что такое сверхновые, рассказать об их типах, как они формируются и как влияют на нашу Вселенную.
Что такое сверхновая звезда?
Проще говоря, сверхновая — это мощный взрыв, который происходит на последних стадиях эволюции массивной звезды - или когда в звезде меньшего размера -белом карлике- запускается необратимый процесс термоядерного синтеза.
Вспышки сверхновых — это самые масштабные явления, наблюдаемые в космосе. Они носят как разрушительный, так и созидательный характер, поскольку являются основным источником тяжелых элементов во Вселенной. В галактиках размером с Млечный Путь взрывы сверхновых случаются примерно каждые 50 лет.
Типы сверхновых
Существует два основных типа сверхновых - тип I и тип II, которые классифицируются в зависимости от способа их детонации. Сверхновые типа I подразделяются на три подгруппы - Ia, Ib и Ic - на основе их спектров.
AIM-260: Соединенные Штаты нацелились на РФ и КНР ракетами, способными наносить кинетические удары "hit-to-kill"
Сверхновая II типа
Сверхновая II типа — это сверхновая с коллапсирующим ядром. Это явление происходит на последней стадии жизни массивной звезды. Звезды, заканчивающие свою жизнь в виде сверхновой II типа, отличаются огромной массой, обычно в восемь-пятнадцать раз больше массы нашего Солнца. Когда у таких звезд заканчивается топливо - сначала водород, а затем гелий, - у них еще остается достаточно энергии и давления для синтеза углерода.
Постепенно в ядре накапливаются более тяжелые элементы. Когда масса ядра звезды превышает предел Чандрасекхара (максимальная масса, теоретически возможная для стабильного белого карлика, около 1,44 солнечных масс), происходит его имплозия. В конце концов, имплозия отскакивает от ядра и выбрасывает звездный материал в космос — это и есть вспышка сверхновой. В результате остается сверхплотная нейтронная звезда.
Существуют две различные подкатегории сверхновых типа II, определяемые изменениями их светимости в течение времени. Свет сверхновой подтипа II-Liner после резкого максимума быстро и линейно затухает, в то время как сверхновые подтипа II-Plateau продолжают светить довольно ярко в течение длительного периода времени. Оба этих типа имеют в своих спектрах сигнатуру водорода.
Сверхновые типа I
Сверхновые типа I подразделяются на подтипы Ia, Ib и Ic. Все сверхновые первого типа не имеют в своем световом спектре линии водорода.
Подтип Ia: Считается, что сверхновые данной категории образуются в бинарных звездных системах, включающих умеренно массивную звезду и белый карлик. В таких системах звездный материал перетекает к белому карлику от более крупной звезды-компаньона. Когда белый карлик накопит достаточно материала, чтобы его масса превысила предел Чандрасекхара, происходит взрыв. Сверхновые типа Ia встречаются довольно часто, и все они в момент своего пика имеют одинаковую светимость. Поэтому они нередко используются астрофизиками для оценки космических расстояний.
Подтип Ib: Так же как и сверхновые второго типа, эта подкатегория сверхновых тоже переживает коллапс ядра, однако без участия водорода. Поэтому их относят к типу I. Кроме того, в их спектрах присутствуют линии гелия.
Изучение сверхновых дало нам понимание того, как эволюционируют звезды и через какие этапы жизненного пути они проходят, прежде чем взорвутся. Благодаря исследованиям ученые поняли важность и роль, которую сверхновые играют в формировании новых звезд, планет и других объектов нашей Вселенной. На фото взрывающаяся сфера. Soubrette. Journal Interesting Engineering.
Подтип Ic: Эта подкатегория сверхновых также образуется, в результате разрушения массивной звезды под действием собственной гравитации. Сверхновые типа Ic, как правило, не имеют в своих спектрах водорода и гелия, так как оба этих элемента были "утеряны" во время жизненного цикла звезды.
Кроме этих видов сверхновых существуют еще несколько подкатегорий типа I и II, включая сверхновые типа Ic - BL, которые относятся к гамма-всплескам и сверхновым с очень высокой светимостью.
Жизненный цикл звезды, заканчивающийся рождением сверхновой
Звезды, подобно живым существам, проходят через определенные фазы жизненного цикла, начиная с рождения и заканчивая смертью. Правда, в отличие от живых организмов, срок жизни звезды может составлять несколько миллиардов лет. Прежде чем произойдет вспышка сверхновой, звезда должна "пережить" несколько стадий. Ниже рассмотрим этапы звездной эволюции.
Звездная туманность
Рождение (формирование) звезды происходит в туманности - облаке пыли и газообразного вещества, включая водород и гелий. По этой причине некоторые туманности получили название "звездных яслей. Сами туманности образуются из газа и пыли, выброшенных взрывом умирающей звезды, например, при вспышке сверхновой.
Россия, Иран и Китай намерены "перезагрузить" систему коллективной безопасности в Персидском заливе
В туманностях частицы газа и пыли сильно рассеяны, но со временем под воздействием сил гравитации они начинают собираться в сгустки. По мере роста сгустков их гравитация также увеличивается, притягивая к себе все новые и новые частицы. В конце концов, фрагмент пыли и газа становится достаточно плотным, чтобы схлопнуться под действием собственной гравитации. Это приводит к нагреванию материала и формированию протозвезды.
Протозвезда
Следующим этапом или циклом жизни звезды является образование протозвезды. На этой стадии происходит дальнейшее сгущение газа и пыли, содержащихся в туманности. В процессе уплотнения происходит постепенное повышение температуры и увеличение давления в ядре, после чего начинается ядерная реакция
Протозвезда уже похожа на обычную звезду, но пока ее ядро еще недостаточно раскалено для начала термоядерного синтеза. Светимость протозвезды связана с нагреванием и сжатием ее ядра. Время гравитационного сжатия относительно невелико. Оно зависит от массы протозвезды. Чем больше масса, тем быстрее протекает процесс гравитационной конденсации. Протозвезды с такой же массой, как у нашего Солнца, сжимаются за 100 млн. лет.
При взрыве сверхновых в космос выбрасываются такие важные элементы, как железо, калий, неон и т.д., которые в конечном итоге становятся материалом для формирования новых звезд. И все начинается заново. Некоторые из высвободившихся элементов со временем могут образовать планеты, например такуе как наша Земля. На изображении вспышка сверхновой звезды. coffeekai/iStock. Journal Interesting Engineering.
Вокруг молодой звезды образуется пылевое облако, которое начинает вращаться и "сплющиваться" в диск - проплид. В некоторых случаях эти диски могут превращаться в планетарные системы. Стадия протозвезды знаменует собой этап, на котором газово-пылевое облако превращается в настоящую звезду. Это важный этап в формировании молодых звезд.
Когда температура ядра протозвезды превысит 10 миллионов К, процесс синтеза водорода достигнет максимальной эффективности. В этот момент протозвезда переходит в стадию главной последовательности.
Главная последовательность
Звезды проводят большую часть (примерно 90 процентов) своей жизни на главной последовательности. Масса звезд в данный период может достигать самых различных значений, и именно от массы зависит, как долго продлится этап главной последовательности.
Звезды с большой массой обычно имеют более горячее и плотное ядро, и это позволяет ядерному синтезу протекать гораздо быстрее, в результате чего стадия главной последовательности длится меньше. У более "легких" звезд ядро меньше, ядерный синтез протекает дольше, соответственно стадия главной последовательности занимает больше времени.
Стадия главной последовательности обозначается как стадия, на которой ядерный синтез относительно стабилен. На этой стадии термоядерный синтез высвобождает энергию, которая нагревает звезду, создавая давление, противодействующее силе ее гравитации. Таким образом, устанавливается баланс внутреннего и внешнего давления.
Красный гигант
Звезды, размер которых сравним с нашим Солнцем или чуть меньше, могут превращаться в красные гиганты.
Когда у звезд главной последовательности в ядре заканчиваются запасы водорода, они начинают разрушаться, поскольку энергии, вырабатываемой при термоядерном синтезе, уже недостаточно для преодоления гравитации. Тем не менее, ядро продолжает сжиматься и становится плотнее; его температура и давление повышаются настолько, что гелий превращается в углерод. В результате высвобождается еще больше энергии. Когда водородный синтез переходит во внешние слои звезды, они увеличиваются в размерах и становятся ярче.
Девятнадцать кораблей и 57 истребителей армии Китая пересекли срединную линию в Тайваньском проливе
В итоге формируется красный гигант, который со временем продолжая разрастаться становится все более нестабильным. В конце концов, внешние слои звезды схлопываются, образуя разрастающееся облако пыли и газа. Экспансия внешней части продолжается постепенно, до тех пор, пока она не рассеется в пространстве. На этом этапе звезда превращается в планетарную туманность. Наше Солнце перейдет в стадию красного гиганта примерно через 5 миллиардов лет.
Планетарные туманности и белые карлики
В данном контексте представим себе внешнюю часть красной гигантской звезды, которая уже распространилась в пространстве, но движется вокруг ядра (белого карлика). Таким образом, наружный слой в виде газа и пыли окутывает тяжелое, плотное ядро, известное как белый карлик. Ядро белого карлика испускает определенное количество радиации, ионизирующей газ и пылевую оболочку. Белые карлики способны излучать видимый свет в диапазоне от сине-белого до красного. Тем не менее БК не вырабатывает собственного тепла (так как лишены источников термоядерной энергии) и постепенно остывают в течение миллиардов лет.
Сверхновая
Эволюция звезд с массой, превышающей массу нашего Солнца примерно в восемь раз, протекает по другому пути. После того как в ядре такой звезды закончится водородное топливо, она начнет сжиматься. Это приведет к очередному коллапсу, который вновь запустит термоядерную реакцию, но уже с участием гелия.
Что произойдет дальше, зависит от размера звезды.
Звезда главной последовательности, с массой чуть больше солнечной, начинает превращать гелий в углерод, также как и звезды с более низкой массой. Но когда в ядре заканчивается гелий, оно сжимается, нагревается и начинает превращать углерод сначала в неон, затем в кислород, кремний и затем железо. При этом каждый новый "вид топлива" высвобождает энергию необходимую для удержания ядра от разрушения. Однако с каждым новым "топливным элементом" реакция протекает быстрее, чем с предыдущим.
Изучение сверхновых дало нам понимание того, как эволюционируют звезды и через какие этапы жизненного пути они проходят, прежде чем взорвутся. Звезды, размер которых сравним с нашим Солнцем или чуть меньше, могут превращаться в красные гиганты. Сверхновая. cokadas/iStocks. Journal Interesting Engineering.
К тому времени, когда кремний превратится в железо, топливо в звезде почти закончится. Далее произойдет разрушение ядра, которое быстро увеличится до первоначального размера и создаст ударную волну, результатом которой станет вспышка сверхновой. Остатки ядра образуют сверхплотную нейтронную звезду. Звезды, масса которых больше солнечной более чем в три раза, коллапсируют в черные дыры.
Влияние сверхновых на Вселенную
Также как и все звезды, сверхновые в конце концов угасают, однако они оказывают заметное влияние на эволюцию нашей Вселенной. Изучение сверхновых помогло астрофизикам и астрономам лучше понять, почему наша Вселенная постоянно расширяется. Впоследствии ученые пришли к выводу, что самое важное влияние сверхновой на Вселенную заключается в том, что при ее взрыве из ядра высвобождаются некоторые жизненно важные элементы.
При взрыве сверхновых в космос выбрасываются такие важные элементы, как железо, калий, неон и т.д., которые в конечном итоге становятся материалом для формирования новых звезд. И все начинается заново. Некоторые из высвободившихся элементов со временем могут образовать планеты, например такуе как наша Земля.
Изучение сверхновых и их значение для астрофизики
Изучение сверхновых дало нам понимание того, как эволюционируют звезды и через какие этапы жизненного пути они проходят, прежде чем взорвутся. Благодаря исследованиям ученые поняли важность и роль, которую сверхновые играют в формировании новых звезд, планет и других объектов Вселенной.
Для астрофизиков и астрономов крайне важны знания о сверхновых, о жизненном цикле звезд, ведущем к взрыву сверхновых, и о последствиях таких вспышек. Всё это в целом помогает глубже изучить химическую эволюцию и экспансию Вселенной. Кроме того, изучение сверхновых не только помогло нам обнаружить информацию о том, как в звезде образуются тяжелые элементы, но и как образуются черные дыры и нейтронные звезды.
Изучение сверхновых помогло не только получить информацию о том, как в звезде образуются тяжелые элементы, но и как происходит процесс формирования черных дыр и нейтронных звезд. Изучение процесса рождения звезд также используется как инструмент для определения расстояний между галактиками.
Заключение
Хотя на первый взгляд вспышка сверхновой может показаться быстротечным событием, ее важность в формировании звезд и других планетарных тел сложно переоценить. К тому же, нельзя недооценивать важность этих процессов в появлении элементов, необходимых для существования жизни.
