В нашей галактике рождение сверхновых звезд. Остатки от вспышек сверхновых звезд
29 августа 1975 года в небе появилась сверхновая звезда в созвездии Лебедя. Блеск светил, подобных ей, при вспышке увеличивается на десятки звёздных величин в течение нескольких суток. Сверхновая звезда сравнима по яркости со всей галактикой, в которой она вспыхнула, и даже может превосходить её. Мы сделали подборку самых известных сверхновых звезд.
«Крабовидная туманность». По сути, это не звезда, а остаток от нее . Она находится в созвездии Тельца. Крабовидная туманность осталась после взрыва сверхновой под названием SN 1054, который произошел в 1054 году. Вспышка была видна на протяжении 23 дней невооружённым глазом даже в дневное время. И это при том, что она расположена на расстоянии около 6500 световых лет (2 кпк) от Земли.
Сейчас туманность расширяется со скоростью около 1500 километров в секунду. Крабовидная туманность получила своё название от рисунка астронома Уильяма Парсонса , использовавшего 36-дюймовый телескоп в 1844 г. В этом наброске туманность очень напоминала краба.
SN 1572 (Сверхновая Тихо Браге). Она вспыхнула в созвездии Кассиопеи в 1572 году. Свои наблюдения от увиденной звезды описал Тихо Браге.
Однажды вечером, когда я, по обыкновению, осматривал небосвод, вид которого мне так хорошо знаком, я, к неописуемому моему удивлению, увидел близ зенита в Кассиопее яркую звезду необыкновенной величины. Поражённый открытием, я не знал, верить ли собственным глазам. По блеску её можно было сравнить только с Венерой , когда эта последняя находится в ближайшем расстоянии от Земли. Люди, одарённые хорошим зрением, могли различить эту звезду при ясном небе днём, даже в полдень. Ночью при облачном небе, когда другие звёзды скрывались, новая звезда оставалась видимой сквозь довольно густые облака.
SN 1604 или Сверхновая Кеплера . Она вспыхнула осенью 1604 года в созвездии Змееносца. А расположено это светило приблизительно в 20,000 световых лет от Солнечной системы. Несмотря на это, после вспышки ее было видно на небе около года.
SN 1987A вспыхнула в Большом Магеллановом Облаке, карликовой галактике-спутнике Млечного Пути. Свет от вспышки достиг Земли 23 февраля 1987 года. Невооруженным глазом звезду можно было увидеть в мае того же года. Пиковая видимая звёздная величина составила +3:185. Это самая близкая вспышка сверхновой со времён изобретения телескопа. Эта звезда стала первой по яркости в 20 веке.
SN 1993J - вторая по яркости звезда в 20 веке. Она вспыхнула в 1993 году в спиральной галактике M81. Это двойная звезда. Об этом ученые догадались, когда вместо того чтобы постепенно гаснуть, продукты взрыва стали странным образом наращивать яркость. Тогда стало ясно: обычная красная звезда-сверхгигант не могла превратиться в столь необычную сверхновую. Возникло предположение о том, что вспыхнувший сверхгигант составлял пару с ещё одной звездой.
В 1975 году вспыхнула сверхновая звезда в созвездии Лебедя. В 1975 году в хвосте Лебедя произошел такой мощный взрыв, что сверхновую звезду было видно невооруженным взглядом. Именно так ее и заметил на Крымской станции студент-астроном Сергей Шугаров. Позже выяснилось, что его сообщение было уже шестым. Самыми первыми, за восемь часов до Шугарова , звезду увидели японские астрономы. Новую звезду можно было видеть без телескопов считанные ночи: она была яркой только с 29 августа по 1 сентября. Потом она стала обычной звездой третьей величины по блеску. Однако за время своего свечения новая звезда успела превзойти по яркости альфу Лебедя. Настолько ярких новых звезд наблюдатели не видели с 1936 года. Звезду назвали Новой Лебедя 1975, V1500 Cygni, а в 1992 году в том же созвездии произошла еще одна вспышка.
Уже в 21 веке произошел взрыв звезды, которая стала самой яркой сверхновой за всю историю наблюдений - SN 2006gy. Взрыв 18 сентября 2006 года в галактике NGC 1260. Её яркость превышала примерно на два порядка яркость обычных сверхновых, что позволило предположить ей принадлежность к новому классу подобных процессов - гиперновых. Ученые предложили несколько теорий случившегося: образование кварковой звезды, многократный взрыв звезды, столкновение двух массивных звёзд.
Самой молодой сверхновой звездой в нашей Галактике является G1.9+0.3. Она находится на расстоянии около 25 000 световых лет от нас и расположена в созвездии Стрельца в центре Млечного Пути. Скорость расширения останков сверхновой является беспрецедентной - более 15 тысяч километров в секунду (это 5 % от скорости света). Эта звезда вспыхнула в нашей Галактике около 25 000 лет назад. На Земле её взрыв можно было бы наблюдать около 1868 года.
По расчетам астрономов, в 2022 году с Земли можно будет наблюдать ярчайший взрыв сверхновой звезды в созвездии Лебедя. Вспышка будет способна затмить сияние большинства звезд на небе! Взрыв сверхновой - редкое явление, но человечество будет наблюдать феномен не впервые. Чем же так увлекательно это явление?
УЖАСНЫЕ ЗНАМЕНИЯ ПРОШЛОГО
Так, 5000 лет назад жители Древнего Шумера были в ужасе - боги показали, что они разгневаны, явив знаменье. На небосводе засияло второе солнце, так что даже ночью было светло как днем! Пытаясь отвратить беду, шумеры приносили богатые жертвы и неустанно молились богам - и это возымело действие. Ан, бог неба, отвратил свой гнев - второе солнце стало меркнуть и скоро вообще исчезло с небосвода.
Так ученые реконструируют события, произошедшие более пяти тысяч лет назад, когда над Древним Шумером вспыхнула сверхновая звезда. О тех событиях стало известно из клинописной таблички, содержащей рассказ о «втором божестве-солнце», показавшемся в южной стороне неба. Астрономы нашли следы звездного катаклизма - от напугавшей шумеров сверхновой осталась туманность Паруса X.
По современным научным данным, ужас древних жителей Месопотамии был во многом оправдан - случись взрыв сверхновой несколько ближе к Солнечной системе, и все живое на поверхности нашей планеты было бы выжжено радиацией.
Так уже однажды случилось, когда 440 миллионов лет назад вспышка сверхновой звезды произошла в относительно близких к солнцу районах космоса. За тысячи световых лет от Земли огромная звезда превратилась в сверхновую, и нашу планету обожгло смертоносное излучение. Палеозойские монстры, которых постигло несчастье жить в то время, могли видеть, как ослепительное сияние, внезапно возникшее на небе, затмило солнце - и это было последнее, что они видели в своей жизни. За несколько секунд излучение сверхновой уничтожило озоновый слой планеты, а радиация убила жизнь на поверхность Земли. К счастью, поверхность материков нашей планеты была в ту эпоху почти лишена обитателей, а жизнь скрывалась в океанах. Толща воды защищала от излучения сверхновой, но все равно погибло более 60% морских животных!
Вспышка сверхновой звезды - один из самых грандиозных катаклизмов во Вселенной. Взрывающееся светило выделяет невероятное количество энергии - в течение короткого времени одна звезда излучает света больше, чем миллиарды звезд галактики.
ЭВОЛЮЦИЯ СВЕРХНОВЫХ
Далекие вспышки сверхновых звезд астрономы давно наблюдали в мощные телескопы. Первоначально это явление воспринималось как непонятный курьез, но в конце первой четверти XX столетия астрономы научились определять межгалактические расстояния. Тогда стало ясно, из какой невообразимой дали приходит на Землю свет сверхновых и какую невероятную силу имеют эти вспышки. Но какова природа этого феномена?
Звезды формируются из космических скоплений водорода. Такие облака газа занимают огромные пространства и могут иметь колоссальную массу, равную сотням солнечных масс. Когда такое облако оказывается достаточно плотным, начинают действовать гравитационные силы, вызывающие сжатие газа, которое вызывает сильный нагрев. По достижении определенного предела в нагретом и сжатом центре облака начинаются термоядерные реакции - так «зажигаются» звезды.
Вспыхнувшее светило имеет долгую жизнь: водород в недрах звезды превращается в гелий (а затем и в иные элементы таблицы Менделеева вплоть до железа) миллионы и даже миллиарды лет. При этом чем больше звезда, тем короче ее жизнь. Красные карлики (так называется класс малых звезд) имеют продолжительность жизни в триллион лет, в то время как звезды-гиганты могут «выгореть» за тысячные доли этого срока.
Звезда «живет», пока сохраняется «баланс сил» между силами гравитации, сжимающими ее, и термоядерными реакциями, которые излучают энергию и стремятся «растолкать» вещество. Если звезда достаточно велика (имеет массу более массы Солнца), наступает момент, когда термоядерные реакции в звезде слабеют («горючее» к тому времени оказывается выгоревшим) и силы гравитации оказываются сильнее. В этот момент сила, сжимающая ядро звезды становится столь сильной, что давление излучения больше не в состоянии удерживать вещество от сжатия. Происходит катастрофически быстрый коллапс - за несколько секунд объем ядра звезды падает в 100000 раз!
Стремительное сжатие звезды приводит к тому, что кинетическая энергия вещества переходит в тепло и температура поднимается до сотен миллиардов Кельвинов! Светимость гибнущей звезды при этом возрастает в несколько миллиардов раз - и «взрыв сверхновой» выжигает все в соседних областях космоса. В ядре гибнущей звезды электроны «вдавливаются» в протоны, так что внутри ядра остаются практически одни нейтроны.
ЖИЗНЬ ПОСЛЕ ВЗРЫВА
Поверхностные же слои звезды взрываются, причем в условиях гигантских температур и чудовищного давления идут реакции с образованием тяжелых элементов (вплоть до урана). И тем самым сверхновые выполняют свою великую (с точки зрения человечества) миссию - делают возможным появление во Вселенной жизни. «Почти все элементы, из которых состоим мы сами и наш мир, возникли благодаря взрывам сверхновых», - утверждают ученые. Все, что нас окружает: кальций у нас в костях, железо в эритроцитах, кремний в чипах наших компьютеров и медь в проводах, - все это вышло из адских топок взрывающихся сверхновых. Большинство химических элементов появились во Вселенной исключительно во время взрывов сверхновых звезд. А атомы тех немногих элементов (от гелия до железа), которые звезды синтезируют, находясь в «спокойном» состоянии, могут стать основой для появления планет лишь после того, как они при взрыве сверхновой были выброшены в межзвездное пространство. Поэтому и сам человек, и все вокруг него состоит из остатков взрывов древних сверхновых.
Оставшееся после взрыва ядро становится нейтронной звездой. Это удивительный космический объект малого объема, но чудовищной плотности. Диаметр обычной нейтронной звезды составляет 10-20 км, но при этом плотность вещества невероятна - 665 миллионов тонн на один кубический сантиметр! При такой плотности кусочек нейтрониума (вещества, из которого состоит такая звезда) размером со спичечную головку будет весить во много раз больше, чем пирамида Хеопса, а чайная ложка из нейтрониума будет иметь массу более миллиарда тонн. Нейтрониум также обладает невероятной прочностью: кусок нейтрониума (если бы таковой оказался в руках человечества) невозможно разбить на части никаким физическим воздействием - любой человеческий инструмент окажется абсолютно бесполезен. Попытка отрезать или оторвать кусок нейтрониума будет столь же безнадежна, как отпилить кусок металла воздухом.
БЕТЕЛЬГЕЙЗЕ — САМАЯ ОПАСНАЯ ЗВЕЗДА
Впрочем, не все сверхновые превращаются в нейтронные звезды. Когда масса звезды превосходит определенный предел (так называемый второй предел Чандрасекара), в процессе взрыва сверхновой остается слишком большая масса вещества и гравитационное давление не в состоянии сдерживать ни что. Процесс становится необратим - все вещество стягивается в одну точку, и образуется черная дыра - провал, безвозвратно поглощающий все, даже солнечный свет.
Может ли угрожать Земле вспышка сверхновой? Увы, ученые отвечают утвердительно. Звезда Бетельгейзе - близкий, по космическим меркам, сосед Солнечной системы, может взорваться в самом скором времени. По словам научного сотрудника Государственного астрономического института Сергея Попова, «Бетельгейзе действительно является одним из лучших кандидатов, и, безусловно, самым известным, в близкие (по времени) сверхновые. Эта массивная звезда находится на финальных стадиях своей эволюции и, вероятнее всего, вспыхнет как сверхновая, оставив после себя нейтронную звезду». Бетельгейзе - светило в двадцать раз тяжелее нашего Солнца и в сто тысяч раз ярче, расположенное примерно в полутысяче световых лет. Поскольку эта звезда достигла финальной стадии своей эволюции, то в ближайшее (по космическим меркам) время она имеет все шансы стать сверхновой. По расчетам ученых, этот катаклизм не должен быть опасен для Земли, но с одной оговоркой.
Дело в том, что излучение сверхновой при взрыве направлено неравномерно - направление излучения определяют магнитные полюса звезды. И если окажется, что один из полюсов Бетельгейзе направлен точно на Землю, то после взрыва сверхновой в нашу Землю вылетит смертоносный поток рентгеновского излучения, способный по меньшей мере уничтожить озоновый слой. К сожалению, на сегодня нет никаких известных астрономам признаков, которые позволили бы предсказать катаклизм и создать «систему раннего оповещения» о взрыве сверхновой. Впрочем, хоть Бетельгейзе и доживает свой срок, звездное время несоизмеримо с человеческим, и, скорее всего, до катастрофы тысячи, если не десятки тысяч лет. Можно надеяться, что за такой срок человечество создаст надежную защиту от вспышек сверхновой.
Voted Thanks!
Возможно Вам будет интересно:
Физика нейтрино стремительно развивается. Месяц назад было объявлено о регистрации нейтрино от гамма-всплеска - ключевом событии в нейтринной астрофизике.
В данной статье же мы поговорим о регистрации нейтрино от сверхновых. Один раз человечеству уже повезло их задетектировать.
Расскажу немного о том, что собственно за звери такие «сверхновые», зачем они испускают нейтрино, почему эти частицы так важно зарегистрировать и, наконец, как это пытаются сделать с помощью обсерваторий на южном полюсе, на дне Средиземного моря и Байкала, под горами Кавказа и в Альпах.
По ходу дела узнаем что такое «урка-процесс» - кто у кого что ворует и почему.
После о-очень большого перерыва продолжаю цикл статей по нейтринной физике. В первой публикации мы говорили о том, как вообще придумали такую частицу и как ее зарегистрировали, во я рассказывал про удивительный феномен нейтринных осцилляций. Сегодня речь пойдет про частицы, которые прилетают к нам из-за пределов Солнечной системы.
Коротко о сверхновых
Звезды, которые мы видим на ночном небе, не пребывают в одном и том же состоянии вечно. Как и все, окружающее нас на Земле, они рождаются, долгое время стабильно светят, но в конце концов они уже не могут поддерживать прежнего горения и умирают. Вот как может выглядеть жизненный путь звезды на примере Солнца:
(с) . Жизненный цикл Солнца
Как можно видеть, в конце своей жизни Солнце стремительно увеличится с размерах вплоть орбиты Земли. Но финал будет достаточно мирным - оболочка будет сброшена и станет красивой планетарной туманностью. Ядро звезды при этом превратится в белый карлик - компактный и очень яркий объект.
Но не все звезды заканчивают свой путь так же мирно, как и Солнце. При достаточно большой массе (>6-7 масс Солнца) может произойти взрыв чудовищной мощности, это и будет называться вспышкой сверхновой.
Почему же взрыв?
Топливом для звезд служит водород. В течение жизни звезды он превращается в гелий с выделением энергии. Именно отсюда берется энергия для свечения звезд. Со временем водород кончается, и уже гелий начинает превращаться дальше по таблице Менделеева в более тяжелые элементы. Такой процесс высвечивает больше энергии и верхний слои звезды начинают вспухать, звезда краснеет и сильно расширяется. Но превращение элементов не бесконечно, в стабильном режиме оно может дойти только до железа. Дальше процесс уже энергетически не выгоден. И вот, у нас есть огромная-огромная звезда с железным ядром, которое уже почти не свети, а значит и нет светового давления изнутри. Верхние слои начинают стремительно падать на ядро.
И тут возможны два сценария. Вещество может тихо и мирно, без всякого вращения и колебаний упасть на ядро. Но вот вспомните, часто вам удается слить воду из ванны/раковины так, чтобы не образовалась воронка? Малейшее колебание и вещество закрутится, возникнут колебания, нестабильности…
Технически супер-стабильный сценарий возможен, даже наблюдалось два . Звезда расширялась-расширялась и вдруг исчезла. Но интереснее же, когда звезда идет вразнос!
Симуляция коллапса ядра тяжелой звезды.
Много месяцев работы нескольких суперкомпьютеров позволили оценить как именно будут возникать и развиваться нестабильности в ядре сжимающейся звезды.
Уже упоминалось, что в ядрах звезд могут образовываться элементы только до железа. Откуда же тогда во Вселенной возникли остальные ядра атомов? Имеено в процессе взрыва сверхновой возникают чудовищные температуры и давления, которые делают возможным синтез тяжелых элементов. Честно говоря, тот факт, что все атомы, которые мы видим вокруг, когда-то горели в центре звезд до сих пор меня сильно шокирует. А уж то, что вся ядра тяжелее железа обязаны были родиться во вспышке сверхновой, так вообще за гранью осознания.
Вообще говоря, может быть еще и другая причина взрыва. Вокруг общего центра вращается пара звезд, одна из которых белый карлик. Он потихоньку ворует вещество звезды-партнера и наращивает свою массу. Если он резко перетянет на себя много вещества, то неизбежно взорвется - просто не сможет удержать все вещество на поверхности. Такая вспышка получила названия и сыграла ключевую роль в определении во Вселенной. Но такие вспышки почти не дают нейтрино, поэтому в дальнейшим мы сконцентрируемся на взрывах массивных звезд.
Урка-процесс или кто ворует энергию
Пора переходить к нейтрино. Проблемы с созданием теории взрыва сверхновых была связана, как это часто бывает, с законом сохранения энергии. Баланс дебета/кредита упорно не сходился. Ядро звезды должно высветить просто огромное количество энергии, но вот каким способом? Если излучать обычный свет (фотоны), то они завязнут во внешних оболочках ядра. Из ядра Солнца фотоны выбираются на поверхность за десятки, а то и сотни миллионов лет. А в случае сверхновой давления и плотности на порядки выше.
Решения нашли Георгий Гамов и Марио Шёнберг. Как-то будучи в Рио-де-Жанейро Гамов играл в рулетку. Наблюдая, как деньги превращаются в фишки, а потом без всякого сопротивления покидают владельца, ему пришло в голову, как можно применить такой же механизм к звездному коллапсу. Энергия должна перейти во что-то, что чрезвычайно слабо взаимодействует. Как вы уже могли догадаться, такой частицей является нейтрино.
Казино, в котором пришло такое озарение носило название «Урка» (Casino-da-Urca). С легкой руки Гамова этот процесс стал именоваться Урка-процессом (Urca process). Как утверждал автор модели, исключительно в честь казино. Но есть стойкое подозрение, что одессит и знатный тролль шутник Гамов вложил в это понятие и другой смысл.
Итак, нейтрино уворовывает львиную долю энергии у взрывающейся звезды. Только благодаря этим частицам сам взрыв становится возможным.
Какие же нейтрино мы ждем? Звезда, как и привычное нам вещество, состоит из протонов, нейтронов и электронов. Чтобы соблюсти все законы сохранения: электрического заряда, количества материи/антиматерии, наиболее вероятно рождение именно электронного нейтрино.
Почему нейтрино от сверхновых так важны?
Практически всю историю астрономии люди изучали вселенную только при помощи приходящих электро-магнитных волн. Они несут очень много информации, но многое остается скрытым. Фотоны легко рассеиваются в межзвездной среде. Для разных длин волн межзвездная пыль и газ являются непрозрачными. В конце концов сами звезды для нас совершенно непрозрачны. Нейтрино же способно принести информацию из самого эпицентра событий, рассказав о процессах с бешеными температурами и давлениями - с теми условиями, которые мы вряд ли когда-нибудь получим в лаборатории.
(с) Irene Tamborra. Нейтрино - идеальные переносчики информации во Вселенной.
Мы достаточно мало знаем, как ведет себя вещество при таких запредельных режимах, какие достигаются в ядре взрывающейся звезды. Здесь сплетаются все разделы физики: гидродинамика, физика частиц, квантовая теория поля, теория гравитации. Любая информация «оттуда» сильно помогла бы в расширении наших знаний о мире.
Только представьте, светимость взрыва в нейтрино в 100 (!) раз больше, чем в оптическом диапазоне. Было бы невероятно интересно получить такой объем информации. Нейтринное излучение настолько мощное, что эти почти невзаимодействующие частицы убили бы человека, случись ему находиться рядом со взрывом. Не сам взрыв, а исключительно нейтрино! Частица, которая гарантированно остановится пролетев
километров в свинце - в 10 миллионов раз больше радиуса орбиты Земли.
Большим бонусом является то, что нейтрино должны прийти к нам даже раньше светового сигнала! Ведь фотонам нужно много времени, чтобы выйти из ядра звезды, нейтрино же беспрепятственно пройдут сквозь него. Опережение может достигать целых суток. Таким образом нейтринный сигнал будет являться триггером для перенаправления всех доступных телескопов. Мы будем точно знать куда и когда смотреть. А ведь самые первые моменты взрыва, когда яркость взлетает и падает по экспоненте - самые важные и интересные для науки.
Как уже говорилось, взрыв сверхновой невозможен без вспышки нейтрино. Тяжелые химические элементы просто не могут образоваться без нее. А вот без вспышки света - вполне
. В таком случае нейтрино будет являться нашим единственным источником информации об этом уникальном процессе.
Сверхновая 1987 года
70е годы были отметились бурным ростом теорий великого объединения. Все четыре фундаментальные силы мечтали объединить единым описанием. У таких моделей было очень необычное следствие - привычный протон обязан был распадаться.
Для поиска этого редкого события было построено несколько детекторов. Среди них сильно выделялась установка Камиоканде, расположенная в горах Японии.
Детектор Камиоканде.
Огромный бак с водой произвел наиболее точные измерения для того времени, но… ничего не нашел. На те годы как раз приходился рассвет нейтринной физики. Было принято, как оказалось, очень дальновидное решение слегка усовершенствовать установку и переориентироваться на нейтрино. Установку усовершенствовали, несколько лет боролись с мешающими фоновыми процессами и в начале 1987 года начали получать хорошие данные.
Сигнал от сверхновой SN1987a в детекторе Камиоканде II. По горизонтальной оси время в минутах. .
Чрезвычайно короткий и четкий сигнал. На следующий день астрономы рапортуют о вспышке сверхновой в Магеллановом облаке - спутнике нашей галактики. Это было первое событие, когда астрофизики смогли наблюдать развитие вспышки с самых ранних стадий. Максимума она достигла только в мае и затем начала медленно затухать.
Камиоканде выдал как раз то, что ожидалось увидеть от сверхновой - электронные нейтрино. Но новый детектор, только начавший набирать данные… Подозрительно это. На счастье, он был не единственным нейтринным детектором на тот момент.
В соляных шахтах Америки был размещен детектор IMB. По своей логике работы он был похож на Камиоканде. Огромный куб, заполненный водой и окруженный фотосенсорами. Быстро пролетающие частицы начинают светиться, и это излучение фиксируется огромными фотоумножителями.
Детектор IMB в бывшей соляной шахте в США.
Пару слов стоит сказать о физике космических лучей в СССР. Здесь сложилась очень сильная школа физики лучей сверхвысоких энергий. Вадим Кузьмин в своих работах первым показал чрезвычайную важность изучения частиц, прилетающих из космоса - в лаборатории мы вряд ли когда-нибудь получим такие энергии. Фактически его группой были заложены основы современной физики лучей сверхвысоких энергий и нейтринной астрофизики.
Естественно, теорией такие исследования ограничиться не могли, и с начала 80х годов на Баксане (Кавказ) под горой Андырчи ведут набор данных сразу два эксперимента. Один из них ориентирован на изучение солнечных нейтрино. Он сыграл важную роль в решении проблемы солнечных нейтрино и открытии нейтринных осцилляций. Об этом я рассказывал в предыдущей . Второй же - нейтринный телескоп, был построен специально для регистрации нейтрино огромных энергий, прилетающих из космоса.
Телескоп представляет из себя три слоя баков с керосином, к каждому прикреплен фотодетектор. Такая установка позволяла восстановить трек частицы.
Один из слоев нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории
Итак, три детектора увидели увидели нейтрино от сверхновой - уверенный и чрезвычайно удачный старт в нейтринную астрофизику!
Нейтрино, зарегистрированные тремя детекторами: Супер-Камиоканде в горах Японии, IMB в США и в Баксанском ущелье на Кавказе.
А вот так с годами менялась планетарная туманность, образованная сброшенная при взрыве оболочкой звезды.
(с) Irene Tamborra. Так выглядят остатки сверхновой 1987 года после взрыва.
Разовая акция или…
Вполне закономерен вопрос - а насколько часто нам будет так «везти». К сожалению, не очень. наблюдений говорит, что предыдущая сверхновая в нашей галактике взорвалась в 1868 году, но ее не наблюдали. А последняя из обнаруженных аж в 1604 году.
Но! Каждую секунду где-то во Вселенной происходит вспышка! Далеко, но зато часто. Такие взрывы создают диффузный фон, чем-то похожий на реликтовое излучение. Он приходит со всех сторон и примерно постоянный. Мы можем вполне успешно оценить интенсивность и энергии, на которых следует искать такие события.
На картинке показаны потоки от всех известных нам источников нейтрино:
. Спектр нейтрино на Земле от всех возможных источников.
Бардовая кривая повыше - это нейтрино от сверхновой 1987 года, а та, что пониже - это фот от ежесекундно взрывающихся во Вселенной звезд. Если мы будем достаточно чувствительны и сумеем отличить эти частицы от того, что приходит, например, от Солнца или от реакторов, то регистрация вполне возможна.
Больше того, Супер-Камиоканде уже подобрался к необходимой чувствительности. Ему осталось улучшить ее на порядок. Как раз сейчас детектор открыт, проходит профилактику, после чего в него будет добавлено новое активное вещество, которое существенно улучшит его эффективность. Так что будем продолжать наблюдения и ждать.
Как сейчас ищут нейтрино от сверхновых
Для поиска событий от взрывов звезд могут использоваться два типа детекторов.
Первый - это черенковский детектор. Понадобится большой объем прозрачного плотного вещества - вода или лед. Если частицы, рожденные нейтрино будут двигаться со скоростью, большей скорости света в среде, то мы будем видеть слабое свечение. Осталось только установить фотодетекторы. Из минусов такого способа - мы видим только достаточно быстрые частицы, все, что меньше определенной энергии, от нас ускользает.
Так работали уже упоминавшиеся IMB и Камиоканде. Последний был усовершенствован до Супер-Камиоканде, став огромный 40 метровым цилиндром с 13 000 фотосенсоров. Сейчас детектор открыт после 10 летнего набора данных. В нем заделают течи, почистят от бактерий и добавят немного вещества, чувствительного к нейтронам и он снова вернется в строй.
Супер-Камиоканде на профилактике. Больше масштабных фото и видео .
Можно использовать этот же метод детектирования, но вместо искусственных аквариумов использовать природные водоемы. Например, чистейшие воды озера Байкал. Там сейчас разворачивается телескоп, который охватит два кубических километра воды. Это в 40 раз больше Супер-Камиоканде. Но детекторы там ставить не так удобно. Обычно используют гирлянду из шаров, в которые вставляют несколько фотосенсоров.
Очень похожий концепт реализуется в Средиземном море, тут построен и работает детектор Antares, планируется построение огромного KM3Net, который будет просматривать куб. километр морской воды.
Все бы хорошо, но в морях плавает куча всякой живности. В результате приходится разрабатывать специальные нейросети, которые будут отличать нейтринные события от проплывающих рыбешек.
Но не обязательно экспериментировать с водой! Антарктический лед достаточно прозрачен, детекторы в нем устанавливать проще, не было бы еще так холодно… На Южном полюсе функционирует детектор IceCube - в толще кубического километра льда впаяны гирлянды фотосенсоров, которые ищут следы нейтринных взаимодействий во льду.
Иллюстрация события в детекторе IceCube.
Теперь перейдем ко второму способу. Вместо воды можно использовать активное вещество - сцинтиллятор. Эти вещества сами светятся, когда через них проходит заряженная частица. Если набрать большую ванну такое вещества, то получится очень чувствительная установка.
Например, в детекторе Borexino в Альпах используется чуть меньше 300 тонн активного вещества.
Китайский DayaBay использует 160 тонн сцинтиллятора.
Но рекордсменом готовится стать тоже китайский эксперимент JUNO, который вместит в себя аж 20 000 тонн жидкого сцинтиллятора.
Как можно заметить, сейчас работает огромное число экспериментов, готовых к регистрации нейтрино от сверхновой. Я перечислил лишь некоторые из них, чтобы не закидывать вас шквалом похожих фотографий и схем.
Стоит отметить, что ожидание сверхновой, это не основная цель для всех из них. Например KamLand и Borexino построили великолепную источников антинейтрино на Земле - в основном это реакторы и радиоактивные изотопы в недрах; IceCube постоянно наблюдает за нейтрино сверхвысоких нейтрино из космоса; СуперКамиоканде изучает нейтрино от Солнца, из атмосферы и от соседнего ускорителя J-PARC.
Чтобы как-то объединить эти эксперименты была разработана даже триггеров и оповещений. Если один из детекторов видит что-то, похожее на событие от сверхновой, тут же приходит сигнал на другие установки. Также незамедлительно оповещаются гравитационные телескопы и оптические обсерватории, которые переориентируют свои инструменты в сторону подозрительного источника. Даже астрономы любители могут подписаться на оповещения и, если повезет, они смогут внести свой вклад в эти исследования.
Но, как рассказывают коллеги с Borexino, часто сигнал от сверхновой бывает вызван уборщицей, оказавшейся среди кабелей…
Что же мы ожидаем увидеть, если нам немножко повезет? Количество событий сильно зависит от объема детектора и колеблется от неуверенных 100 до шквала в миллион событий. Что уж говорить об экспериментах следующего поколения: Гипер-Камиоканде, JUNO, DUNE - они станут в разы более чувствительными.
Что бы мы увидели сейчас в случае взрыва сверхновой в нашей галактике.
Уже завтра в галактике вполне может вспыхнуть сверхновая звезда и мы будем готовы принять послание из самого эпицентра чудовищного взрыва. А также скоординировать и направить доступные оптические телескопы и детекторы гравитационных волн.
P.S. Отдельное спасибо хочется сказать ‘у, выдавшему моральный пинок для написания статьи. Очень советую подписаться, если интересны новости/фото/мемы из мира физики частиц.
Рождение сверхновой звезды
Небо в ясный день представляет в общем-то довольно скучную и однообразную картину: раскаленный шар Солнца и чистый бескрайний простор, иногда украшенный облаками или редкими тучами.
Другое дело – небо в безоблачную ночь. Оно обычно все усыпано яркими скоплениями звезд. При этом надо учесть, что на ночном небе невооруженным глазом можно видеть от 3 до 4,5 тысячи ночных светил. И все они принадлежат Млечному Пути, в котором находится и наша Солнечная система.
По современным представлениям звезды – это раскаленные газовые шары, в недрах которых происходит термоядерный синтез ядер гелия из ядер водорода с выделением колоссального количества энергии. Именно она и обеспечивает светимость звезд.
Самая близкая к нам звезда – наше Солнце, расстояние до которого 150 миллионов километров. А вот звезда Проксима Центавра, следующая по удаленности, находится от нас на расстоянии 4,25 светового года, или в 270 тысяч раз дальше, чем Солнце.
Есть звезды, в сотни раз превышающие по размеру Солнце и во столько же раз уступающие ему в этом показателе. Однако массы звезд меняются в гораздо более скромных пределах – от одной двенадцатой массы Солнца до 100 его масс. Более половины видимых звезд являются двойными, а иногда и тройными системами.
Вообще же, число звезд в видимой нам Вселенной можно обозначить числом 125 000 000 000 с одиннадцатью дополнительными нулями.
Теперь, чтобы избежать путаницы с нулями, астрономы ведут учет уже не отдельных звезд, а целых галактик, считая, что в среднем в каждой из них находится порядка 100 миллиардов звезд.
Американский астроном Фриц Цвики впервые начал заниматься целенаправленным поиском сверхновых звезд
Еще в 1996 году ученые определили, что с Земли можно увидеть 50 миллиардов галактик. Когда же в строй был введен орбитальный телескоп имени Хаббла, которому не мешают помехи земной атмосферы, число видимых галактик подскочило до 125 миллиардов.
Благодаря всевидящему глазу этого телескопа астрономы проникли в такие вселенские глубины, что увидели галактики, которые появились всего через один миллиард лет после Великого взрыва, породившего нашу Вселенную.
Для характеристики звезд используются несколько параметров: светимость, масса, радиус и химический состав атмосферы, а так же ее температура. А используя ряд дополнительных характеристик звезды, можно также определить и ее возраст.
Каждая звезда – это динамичная структура, которая рождается, растет и затем, достигнув определенного возраста, тихо умирает. Но случается и такое, что она вдруг взрывается. Это событие приводит к масштабным изменениям в той области, которая прилегала к взорвавшейся звезде.
Так, возмущение, последовавшее за этим взрывом, распространяется с гигантской скоростью, и в течение нескольких десятков тысяч лет захватывает огромное пространство в межзвездной среде. В этой области резко, до нескольких миллионов градусов, повышается температура, значительно увеличивается плотность космических лучей и напряженность магнитного поля.
Такие особенности вещества, выброшенного взорвавшейся звездой, позволяют ему сформировать новые звезды и даже целые планетные системы.
По этой причине как сверхновые звезды, так и их остатки очень пристально изучаются астрофизиками. Ведь сведения, полученные в ходе исследования этого явления, могут расширить знания об эволюции нормальных звезд, о процессах, происходящих при рождении нейтронных звезд, а также выяснить детали тех реакций, в результате которых образуются тяжелые элементы, космические лучи и т. д.
Одно время те звезды, яркость которых неожиданно возрастала более чем в 1000 раз, астрономы называли новыми. Они появлялись на небе неожиданно, внося изменения в привычную конфигурацию созвездий. Внезапно увеличившись в максимуме в несколько тысяч раз, их блеск спустя какое-то время резко уменьшался, а спустя несколько лет их яркость становилась такой же слабой, как и до взрыва.
Следует отметить, что периодичность вспышек, во время которых звезда освобождается от одной тысячной своей массы и которую с огромной скоростью выбрасывает в мировое пространство, считается одним из основных признаков рождения новых звезд. Но, в то же время как это ни странно, взрывы звезд не ведут ни к существенным изменениям в их структуре, ни даже к их разрушениям.
Как часто в нашей Галактике случаются такие события? Если учитывать лишь те звезды, которые по своей яркости не превышали 3-ю звездную величину, то, согласно историческим хроникам и наблюдениям ученых-астрономов, в течение пяти тысяч лет наблюдались не более 200 ярких вспышек.
Но когда стали проводиться исследования других галактик, то стало очевидным, что яркость новых звезд, которые появляются в этих уголках космоса, нередко равна светимости всей галактики, в которой эти звезды появляются.
Конечно, появление звезд с такой светимостью – событие неординарное и абсолютно не похожее на рождение обычных звезд. Поэтому еще в 1934 году американские астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде предложили те звезды, максимальная яркость которых достигает светимости обычных галактик, выделить в отдельный класс сверхновых и самых ярких звезд. При этом следует иметь в виду, что вспышки сверхновых в современном состоянии нашей Галактики – явление крайне редкое, происходящее не чаще чем раз в 100 лет. Наиболее же яркие вспышки, которые зафиксировали китайские и японские трактаты, произошли в 1006 и 1054 годах.
Через пятьсот лет, в 1572 году, вспышку сверхновой звезды в созвездии Кассиопеи наблюдал выдающийся астроном Тихо Браге. В 1604 году в созвездии Змееносца рождение сверхновой звезды увидел Иоганн Кеплер. И с тех пор таких грандиозных событий в нашей Галактике не отмечалось.
Возможно, связано это с тем, что Солнечная система занимает в нашей Галактике такое положение, что наблюдать в оптические приборы вспышки сверхновых с Земли можно лишь в половине ее объема. В остальной же части этому мешает межзвездное поглощение света.
А поскольку в других галактиках эти явления происходят примерно с той же частотой, что и в Млечном Пути, основные сведения о сверхновых в момент вспышки были получены по наблюдениям за ними в других галактиках…
Впервые целенаправленным поиском сверхновых звезд в 1936 году начали заниматься астрономы В. Бааде и Ф. Цвикки. В ходе трехлетних наблюдений в разных галактиках ученые обнаружили 12 вспышек сверхновых, которые впоследствии были подвергнуты более тщательному исследованию с помощью фотометрии и спектроскопии.
Более того, применение более усовершенствованной астрономической аппаратуры позволило расширить список вновь открытых сверхновых. А внедрение автоматизированного поиска привело к тому, что в год ученые обнаруживали более сотни сверхновых. Всего же за короткое время было зафиксировано 1500 этих объектов.
В последние годы с помощью мощных телескопов за одну ночь наблюдений ученые открывали более 10 далеких сверхновых звезд!
В январе 1999 года произошло событие, которое потрясло даже современных астрономов, привыкших ко многим «фокусам» Вселенной: в глубинах космоса была зарегистрирована вспышка в десять раз ярче всех тех, которые фиксировались учеными раньше. Заметили ее два исследовательских спутника и телескоп в горах Новой Мексики, снабженный автоматической фотокамерой. Произошло это уникальное явление в созвездии Волопаса. Чуть позже, в апреле того же года, ученые установили, что расстояние до вспышки – девять миллиардов световых лет. Это почти три четверти радиуса Вселенной.
Подсчеты, произведенные астрономами, показали, что за несколько секунд, в течение которых длилась вспышка, энергии выделилось во много раз больше, чем произвело Солнце за пять миллиардов лет своего существования. Что же стало причиной столь невероятного взрыва? Какие процессы породили этот грандиозный энергетический выброс? Ответить конкретно на эти вопросы наука пока не может, хотя существует предположение, что такое огромное количество энергии могло произойти в случае слияния двух нейтронных звезд.
Данный текст является ознакомительным фрагментом. Из книги 100 великих тайн космонавтики автора Славин Станислав НиколаевичРождение РНИИ Тем временем в жизни отечественных ракетчиков произошло одно важное событие. Осенью 1933 года Газодинамическая лаборатория и МосГИРД объединились в единую организацию - Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ).В результате произошла некоторая
Из книги Вы и ваша беременность автора Коллектив авторов Из книги Женщина. Руководство для мужчин автора Новоселов Олег Олегович Из книги Географические открытия автора Хворостухина Светлана АлександровнаРождение Земли Сейчас трудно даже представить то время, когда планета Земля выглядела как огромный пыльный шар, лишенный растительности и живых организмов. Прошло несколько миллиардов лет, прежде чем на поверхности планеты зародилась жизнь. Понадобилось еще немало
Из книги Мифы финно-угров автора Петрухин Владимир Яковлевич Из книги Славянская энциклопедия автора Артемов Владислав Владимирович Из книги Мы - славяне! автора Семенова Мария Васильевна Из книги Странности нашего тела – 2 автора Джуан СтивенГлава 1 Рождение В «Алисе в Cтране чудес» Льюис Кэрролл писал: «Начни с начала, – торжественно произнес Король, – и продолжай так, пока не дойдешь до конца. Тогда остановись». А один мудрый человек как-то сказал: «Начало всегда легкое. Гораздо труднее то, что происходит
Из книги Тайны драгоценных камней автора Старцев Руслан ВладимировичРождение и огранка Человек, не знакомый с тонкостями ювелирного искусства, не может скрыть разочарования при виде необработанного изумруда. Где чистота и прозрачность, где игра света и глубокий, неповторимый свет, как бы живущий в самом камне и сияющий в самом его сердце?
Из книги Компьютерные террористы [Новейшие технологии на службе преступного мира] автора Ревяко Татьяна Ивановна«Рождение» вирусов История компьютерного вируса, как правило, это сведения о месте и времени создания (первого обнаружения) вируса; информация о личности создателя (если это достоверно известно); предполагаемые «родственные» связи вируса; сведения, полученные из
Из книги Большая Советская Энциклопедия (АН) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ПА) автора БСЭ Из книги Я познаю мир. Оружие автора Зигуненко Станислав НиколаевичРождение браунинга Первый же самозарядный пистолет, в котором уже не чувствовалось влияния револьверной компоновки, разработал в 1897 году Дж. Браунинг, служащий бельгийской Национальной фабрики военного оружия в Герстале. Чтобы уменьшить размеры оружия, изобретатель
Из книги Я познаю мир. Криминалистика автора Малашкина М. М.Что общего между спичкой и сверхновой звездой? Черный порох изобрели в Китае более 1000 лет назад. Китайцы хранили формулу в тайне, но в 1242 году английский ученый Роджер Бэкон раскрыл ее для всех желающих. Бэкон вынужден был это сделать, иначе бы его обвинили в колдовстве и
Из книги 1000 секретов женского здоровья автора Фоули Дениз Из книги Прогулки по допетровской Москве автора Беседина Мария БорисовнаРождение города Но вернемся в те времена, когда все это водное великолепие, еще не замутненное потребительским отношением человека, ярко сверкало под лучами солнца. В ту давнюю пору реки были не только естественными источниками водоснабжения, не только «поставщиками»
СВЕРХНОВАЯ ЗВЕЗДА, взрыв, которым ознаменована смерть звезды. Иногда вспышка сверхновой превышает по яркости галактику, в которой она произошла.
Сверхновые делят на два основных типа. Тип I отличается дефицитом водорода в оптическом спектре; поэтому считают, что это взрыв белого карлика звезды, по массе близкой к Солнцу, но меньшей по размеру и более плотной. В составе белого карлика почти нет водорода, поскольку это конечный продукт эволюции нормальной звезды. В 1930-х годах С.Чандрасекар показал, что масса белого карлика не может быть выше определенного предела. Если он находится в двойной системе с нормальной звездой, то ее вещество может перетекать на поверхность белого карлика. Когда его масса превысит предел Чандрасекара, белый карлик коллапсирует (сжимается), нагревается и взрывается. См. также ЗВЕЗДЫ.
Сверхновая II типа вспыхнула 23 февраля 1987 в соседней с нами галактике Большое Магелланово Облако. Ей дали имя Яна Шелтона, первым заметившего вспышку сверхновой с помощью телескопа, а затем и невооруженным глазом. (Последнее подобное открытие принадлежит Кеплеру, увидевшему вспышку сверхновой в нашей Галактике в 1604, незадолго до изобретения телескопа.) Одновременно с оптической вспышкой сверхновой 1987 специальные детекторы в Японии и в шт. Огайо (США) зарегистрировали поток нейтрино элементарных частиц, рождающихся при очень высоких температурах в процессе коллапса ядра звезды и легко проникающих сквозь ее оболочку. Хотя поток нейтрино был испущен звездой вместе с оптической вспышкой примерно 150 тыс. лет назад, он достиг Земли практически одновременно с фотонами, доказав тем самым, что нейтрино не обладает массой и движется со скоростью света. Эти наблюдения подтвердили также предположение, что около 10% массы коллапсирующего ядра звезды излучается в виде нейтрино, когда само ядро сжимается в нейтронную звезду. У очень массивных звезд при вспышке сверхновой ядра сжимаются до еще больших плотностей и, вероятно, превращаются в черные дыры, но сброс внешних слоев звезды все же происходит. См . также ЧЕРНАЯ ДЫРА.
В нашей Галактике Крабовидная туманность является остатком взрыва сверхновой, который наблюдали китайские ученые в 1054. Известный астроном Т.Браге также наблюдал в 1572 сверхновую, вспыхнувшую в нашей Галактике. Хотя сверхновая Шелтона стала первой близкой сверхновой, открытой после Кеплера, сотни сверхновых в других, более далеких галактиках были замечены при помощи телескопов за последние 100 лет.
В остатках взрыва сверхновой можно найти углерод, кислород, железо и более тяжелые элементы. Следовательно, эти взрывы играют важную роль в нуклеосинтезе процессе образования химических элементов. Возможно, что 5 млрд. лет назад рождению Солнечной системы тоже предшествовал взрыв сверхновой, в результате которого возникли многие элементы, вошедшие в состав Солнца и планет. НУКЛЕОСИНТЕЗ.