Астронет: Ю. П. Псковский/ГАИШ Новые и Сверхновые звезды http://variable-stars.ru/db/msg/1201870/12.html

Глава XI. Пульсары - еще один вид реликтов сверхновых | Оглавление | Заключение

---

Глава XII. НЕСКОЛЬКО ТРУДНЫХ ВОПРОСОВ

Поиски "Взрывчатки"

Все явления, связанные со сверхновыми, - оптически наблюдаемая вспышка, расширяющийся остаток оболочки и пульсар - говорят о быстром выделении гигантских количеств энергии в короткое время, т.е. о сильном взрыве как причине явления сверхновой. Действительно, по данным о кривых блеска, температурах сверхновых при вспышке и расстояниям до них получаются оценки энергии, выделяемой при вспышке в виде излучений, порядка 10⁵⁰-10⁵¹ эргов. Кроме того, огромные массы и высокие скорости расширения оторванных от звезд оболочек свидетельствуют о больших расходах и кинетической энергии. В зависимости от масс и скоростей расширения она оценивается в 10⁵⁰-10⁵² эргов. Таким образом, непосредственно при взрыве должно высвободиться такое количество энергии, чтобы получилась расширяющаяся оболочка с наблюдаемым оптическим явлением.

Но кроме энергии, выделяемой при взрыве, расширяющийся остаток оболочки сверхновой накапливает солидную энергию магнитного поля - порядка сотой доли энергии, выделенной при взрыве. Это поле удерживает рождающиеся в магнитосфере нейтронной звезды космические лучи, энергия которых также составляет 1% энергии взрыва. По своему происхождению эти виды энергии, по-видимому, не связаны со взрывом звезды, а возникают в результате потери вращательной энергии нейтронной звезды.

Примерно 20 тыс. лет оболочка сверхновой представляет собой горячий плазменный шар, запирающий космические лучи, пока температура его не снизится до 1 млн. кельвинов. После этого магнитная ловушка оболочки ослабевает и космические лучи вырываются из нее. От оболочки сверхновой остаются просто клочья межзвездного газа с невысокой температурой, а пульсар излучает все виды радиации прямо в межзвездное пространство. Он живет еще долгое время после исчезновения оболочки сверхновой.

Что же взрывается в звезде? Самое высокое выделение энергии на грамм расходуемого в ядерной реакции горючего получается при превращении четырех ядер водорода в ядро гелия при высоких температурах с образованием электронов и нейтрино. Но, как высока ни будет температура, эти реакции пойдут медленно, не путем взрыва. Поэтому были изучены другие ядерные реакции. Оказалось, что при температурах в 1 млрд. кельвинов становятся очень быстрыми (т. е. носят характер взрыва) реакции между ядрами водорода и ядрами легких элементов (углерод, кислород, азот и др.). Если бы почему-либо температура недр Солнца поднялась до 1 млрд. кельвинов, то эти ядерные реакции прошли бы в течение одной секунды и Солнце взорвалось бы. Но, поскольку в нашем Солнце ядер легких элементов очень мало, при взрыве выделилось бы всего 10⁴⁹ эрг энергии. Следовательно, при взрыве сверхновой в ее недрах должно быть легких элементов намного больше, чем в Солнце. Другими словами, это, действительно, должна быть проэволюционировавшая до конца ядерной стадии звезда. Легкие ядра - продукты старых ядерных котлов этой звезды - образуют несколько последовательных зон между внешней водородной оболочкой и железным ядром звезды (рис. 36). Именно эти легкие ядра могут быть взрывчаткой, и выделяющейся при их детонации энергии вполне достаточно, чтобы возникло явление сверхновой.

В каком же случае может получиться взрыв такой набитой легкими ядрами звезды? Это было исследовано английскими астрофизиками Ф. Хойлом и У. Фаулером. По их расчетам, когда звезда с массой в десяток солнц дошла в своей эволюции до образования негорючей железной сердцевины, ее внешние слои начинают падать к центру, чтобы поддержать газовое давление в недрах стынущей звезды. При сжатии растут энергия, давление, температура недр. Идут как бы инстинктивные поиски нового ядерного горючего. Но, как ни возрастает температура в железном сердце звезды, новый ядерный котел не включается. Наоборот, начинаются реакции с поглощением энергии, ведущие, например, к расщеплению ядра железа на 13 ядер гелия и 4 нейтрона.

Теперь за каждую секунду размеры звезды уменьшаются в 2 раза. К концу второй секунды катастрофического сжатия могут сложиться условия для его остановки. Таким тормозом может быть образование белого карлика, если масса сжимающейся звезды невелика (менее полутора масс Солнца), или взрыв с образованием нейтронной звезды (вспышка сверхновой). Но, чтобы произошел взрыв, быстрое сжатие должно существенно нарушить структуру звезды.

Оказывается, если звезда успевает при таком сжатии спокойно перестраиваться, т.е. соответствующим образом перераспределять выделяющуюся при сжатии энергию, повышая температуру в центре, то взрыв не произойдет. Для взрыва нужно, чтобы скорость сжатия звезды обогнала скорость звука в ее недрах, тогда спокойное отступление звездных слоев превратится в беспорядочное. Но такая ситуация возникает тогда, когда в центре звезды замедляется повышение температуры, а в зонах легких ядер она будет высока. Таким охлаждающим процессом, как мы видели, может быть расщепление ядер железа.

Кроме того, в центре звезды при больших давлениях идут реакции взаимодействия электронов с элементарными частицами, ведущие к образованию нейтрино и антинейтрино, например, "урка"-процесс (взаимодействие с ядрами), процесс Чу (с позитронами) и процесс Б.М. Понтекорво (с ионами). Звездные недра с обычными плотностями не задерживают не имеющих зарядов и массы покоя нейтрино, и они беспрепятственно выходят из звезд, унося с собой значительные порции энергии. Но в катастрофически сжимающейся массивной звезде внутреннее строение нарушено: сердцевина с ее массой около одной солнечной быстро сжимается, формируясь в нейтронную звезду. В этот важный момент температура в ней доходит до 200 млрд. Кельвинов, а плотность - до 10¹² г/см³. На какие-нибудь несколько десятых долей секунды звезда вспыхивает как точечных размеров нейтринная звезда. Ее мощность излучения достигает 10⁵² эрг/с - в 10¹⁸ раз выше, чем полная мощность излучения нашего Солнца. В виде нейтрино будет излучено около 10⁵² эрг.

Но при высоких плотностях всепроникаемость нейтрино оказывается ограниченной: они не могут уйти из звездного ядра, не отдав энергии, вследствие чего температура внешних слоев ядра звезды повышается, поднимается и газовое давление - универсальный стоп-кран, останавливающий сжатие звездного ядра.

Однако наружные слои звезды еще некоторое время продолжают падать к центру, и на периферии звездного ядра создается высокое давление, вызывающее детонацию одного из сортов легких ядер, а может быть, и просто тепловой взрыв от избытка энергии, вынесенной сюда нейтрино и антинейтрино. При этом взрыв в любом случае должен освободить энергию в 10⁵² эргов. Образующаяся взрывная волна выбрасывает наружные слои в пространство. Это и наблюдается как вспышка сверхновой звезды. При ядерном взрыве сверхновой происходят быстрые процессы образования остальных тяжелых элементов таблицы Менделеева. Сверхновые, по-видимому, единственные "фабрики", производящие элементы с атомными весами больше, чем у железа. Поэтому при их взрывах должна образовываться точно такая же смесь тяжелых атомных ядер, какую обнаруживают в звездах, газовых туманностях (т. е. в доступных спектральному анализу сгущениях межзвездного газа) и метеоритах. Химический состав этих небесных тел в достаточной степени исследован спектрально и оказывается довольно однородным в пределах, объектов одного возраста и звездной подсистемы, за исключением, может быть, содержания самых легких химических элементов - водорода и гелия, относительное содержание которых служит еще более чувствительным показателем не только поколения, но также и возраста самих небесных тел.

В зависимости от того, какой сорт легких ядер в действительности детонирует при явлении сверхновой, будет, очевидно, различным химический состав выбрасываемый при взрыве оболочки. В частности, оказалось, что чисто тепловой (неядерный) взрыв, происходящий вследствие накопления тепловой энергии в оболочке массивной звезды в ходе переноса энергии всепроникающими нейтрино, привел бы к реакциям, создающим тяжелые ядра в количествах в двести раз превышающих наблюдаемые в смеси химических элементов небесных тел.

Расчеты и гипотезы, о которых здесь говорится, относятся к сверхновым, образовавшимся при взрывах массивных звезд. Это сверхновые II типа. Перед самым взрывом звезда была, по-видимому, каким-то предельным случаем красного сверхгиганта, т. е. звездой с массивной протяженной и холодной водородной оболочкой.

Детали процесса разлета оболочки сверхновой II типа исследовались советскими учеными В.С. Имшенником, Д.К. Надежиным и Э.К. Грасбергом, а в США - С. Колгейтом, Р. Уайтом и Р. Шевалье. По их расчетам после взрыва ударная волна должна идти по разреженной оболочке протяженностью до 10 млрд. км. Такая оболочка могла образоваться на предшествующем взрыву этапе эволюции звезды вследствие истечения газа с ее поверхности. Вычисленные кривые блеска оказались сходными с наблюдаемыми у сверхновых II типа, если только масса взрывавшейся звезды не превосходила 8 масс Солнца. У более массивных звезд гравитационный коллапс идет без взрыва и выброса оболочки, но сопровождается сильной вспышкой нейтринного излучении которую смогут обнаруживать нейтринные телескопы недалекого будущего.

Загадочные "предки" сверхновых I типа

В подборе категорий звезд, которые могут дать вспышки сверхновых I типа, имеются большие трудности. Дело в том, что этот тип сверхновых наблюдается как в спиральных, так и в эллиптических галактиках. Явление вспышек сверхновых в последних выглядит довольно загадочным, так как в этих звездных системах не идет процесс образования звезд новых поколений. Там все звезды стары, их возраст насчитывает десяток миллиардов лет, и массивные звезды давно исчезли. Установлено, что в эллиптических галактиках сейчас переживают "водородный век" звезды с массами, не превосходящими массу Солнца.

По расчетам Хойла и Фаулера взрывы возможны и у звезд, превращающихся в белые карлики, если масса звезды в финале несколько превышает максимально допустимую массу для белого карлика (1.43). Есть несколько исследований этого интересного случая. Так, советские астрофизики Г.С. Бисноватый-Коган и З.Ф. Сеидов считают, что как сверхновые могут загораться старые звезды с возрастом в миллиарды лет, которые при превращении в белые карлики были довольно горячими и немного больше по массе, чем допустимая масса белого карлика. Остывание такого "кандидата" в белые карлики тянется очень долго. Он ведет себя уже как белый карлик ("реликтовый белый карлик" по выражению И.С. Шкловского), но лишь после достаточного остывания, сопровождающегося сжатием звезды, оказывается, что его масса "великовата": сил упругости белого карлика не хватает для остановки сжатия, он срывается в коллапс, происходит взрыв, вспышка и выброс оболочки ударной волной.

И.С. Шкловский нарисовал такую картину эволюции звезды перед катастрофой при превращении в белый карлик. За два-три десятка тысяч лет существования горячего сверхгиганта он выбрасывает в межзвездную среду значительную массу своей оболочки. Сильный звездный ветер сверхгиганта раздувает ее в огромный пузырь, который астрономы наблюдают как планетарную туманность. Горячая звезда в ее центре эволюционирует в белый карлик и, в случае избыточной массы, может взорваться. Однако такая картина вспышки сверхновой снова характерна только для объектов в спиральной галактике, поскольку массивных звезд-одиночек нет в эллиптических звездных системах. Маловероятно, с другой стороны, что сверхновые I типа в эллиптических и спиральных галактиках рождались в ходе разных процессов.

Таким образом, наличие сверхновых I типа в эллиптических галактиках требует иного механизма эволюции звезд перед вспышкой, одинакового и для, молодых и для очень старых звезд. На мысль об этом наводит также отсутствие линий водорода в спектрах сверхновых I типа. Это свидетельствует о том, что "предки" сверхновых I типа имели какую-то особую "биографию". Каким-то образом, но не путем истечения в межзвездную среду, они потеряли значительную часть или весь водород в оболочках, который не мог сгореть во внутренних слоях, потому, что в звездах обычно не происходит глубокого перемешивания вещества между ядром и оболочкой.

По мнению И.С. Шкловского, остается единственная причина бесследной, потери водорода звездой, приемлемая и для условий в эллиптической галактике: его похищение соседней звездой в тесной двойной системе. Этот механизм был исследован около двадцати лет назад французским астрофизиком Э. Шацманом. В этом случае водород из оболочки не попадает в межзвездное пространство, а остается в двойной системе. О поразительных явлениях в тесных двойных системах мы говорили, разбирая феномены новых звезд и пульсаров. Уже там один из компонентов забирал часть вещества у "донора", но размеры "хищений" не были катастрофическими. Теперь мы, очевидно, встретились с поистине трагическими по размерам событиями: с так называемым "звездным каннибализмом".

Расчеты эволюции тесных двойных систем показывают, что между их компонентами в некоторых случаях происходит обмен массами. Этот обмен вовлекает в процесс эволюции значительную часть звездного вещества системы, благодаря чему существенно продлевается и время жизни звезд с массами, превышающими солнечную. В эллиптических галактиках и сейчас могут существовать тесные двойные звезды, у которых один из компонентов имеет массу больше 1.4 , что является необходимым условием для вспышки сверхновой I типа, хотя одиночные звезды с такой массой в эллиптических галактиках уже давно сошли со сцены.

Пока сделаны расчеты только для случаев массивных начальных компонентов, т.е. для эволюции в сверхновые I типа звезд младших фотометрических классов, которые обнаружены только в спиральных галактиках. У звезд меньших масс будут более длинные сроки эволюции, но, по-видимому, те же принципиальные стадии. Схема эволюции изображена на рис. 37. Указаны массы компонентов в каждой стадии и размеры грушеобразных зон, где собственное тяготение звезды превышает тяготение компаньона. Размер зон тем больше, чем массивнее компонент, поэтому изменение размеров зон наглядно показывает эволюцию соотношения масс компонентов.

В начале эволюции масса главной звезды имеет 20, а ее компаньона 6. Первые 6 млн. лет идет бурная эволюция массивной звезды: из горячей компактной звезды он превращается в голубой сверхгигант, обладающий массивной водородной оболочкой, заполняющей всю "грушу" и перетекающей через точку контакта в зону звезды-спутника (рис. 37, а). В этой стадии система может стать новоподобной звездой, а в случае меньших масс пройти стадию новой звезды. Но через полмиллиона лет эта стадия заканчивается, поскольку вся оболочка сверхгиганта перетечет к соседу: компаньоны обменялись массами (рис. 37, б)! Спутник "съел" весь водород оболочки главной звезды, и она стала по массе меньше его. Вскоре наступает и финал: ограбленная звезда коллапсирует, происходит вспышка сверхновой, и на ее месте в зависимости от массы либо остается черная дыра или нейтронная звезда, либо она исчезает полностью (рис. 37, в).

Рис. 37. Схема эволюции тесной двойной системы с первоначальными массами компонентов и . Центры масс системы на различных стадиях эволюции размещены на одной вертикали, пунктиром даны зоны вокруг компонентов где их тяготение превышает тяготение соседа, К - контактная точка зон. Указаны массы компонентов и возраст системы с начала ее эволюции в млн. лет, Р - период орбитального обращения системы в днях.

Дальнейшая эволюция системы нам уже знакома: бывший спутник становится, голубым сверхгигантом, который, в свою очередь "кормит" своим газом рентгеновский пульсар (рис. 37, г). К счастью для новообразовавшегося сверхгиганта, небольшая масса нейтронной звезды не позволяет ей взять полный "реванш" и вернуть себе все отданное ранее вещество. Пульсар немедленно перерабатывает захваченный газ в рентгеновское излучение, которое покидает систему уже навсегда. Когда оболочка сверхгиганта остынет до 10000 К, звездный ветер ослабеет, питание, пульсара оскудеет. Дальнейшая судьба системы пока не изучена.

Радиоактивная "накачка" энергии в оболочке сверхновой I типа

Итак, в случае сверхновых I типа предполагается, что перед взрывом звезда была богата легкими элементами и лишена водородной оболочки, т. е. была компактна. Чтобы в этих условиях было согласие с наблюдаемыми спектрами и кривыми блеска, в звезде должно идти медленное выделение энергии. По схеме советских исследователей Д.К. Надежина и В.П. Утробина, энергия переносится в разреженную часть звезды вблизи поверхности, где образуется ударная волна, которая выбрасывает наружные слои звезды в окружающее пространство. Они показали также, что ни перенос энергии с помощью нейтрино ни сгорание остатков термоядерного топлива (кислорода) недостаточны даже при их совместном действии для объяснения мощности вспышки сверхновой I типа.

Как уже упоминалось, конкретный механизм поддержания энергии свечения оболочки сверхновой I типа, по-видимому, радиоактивный. Расчеты термоядерной эволюции звезды перед взрывом, проведенные в 1968 г. в США Д. Боданским, Д. Клейтоном и У. Фаулером, показали, что в зоне горения кремния должен накапливаться радиоактивный изотоп никель-56, который с периодом полураспада 6 суток превращается в радиоактивный кобальт-56, а последний уже с периодом полураспада 77 суток - в стабильные ядра железа-56. В обоих процессах выделяется энергия в виде гамма-излучения. Если бы эти оба периода были на четверть короче, то кривая выделения энергии при этих процессах вполне соответствовала бы по форме кривой блеска сверхновой I типа. Отсюда, по величине светимости сверхновой, нетрудно вычислить количество никеля-56, кобальта и железа, образовавшихся при взрыве.

В 1975 г. М. Левенталь и С. Мак-Колл (США) предположили, что после взрыва сверхновой I типа остается горячий белый карлик со значительным содержанием никеля-56 (0.2-0.4 ). Высокая плотность на поверхности этого объекта как раз и способна уменьшить в нужной степени периоды полураспада обоих радиоактивных процессов, сохраняя одновременно "стерильной" разлетающуюся оболочку (т. е. нормальной по химическому составу). В 1983 г. Ч. Ву, М. Левенталь и их сотрудники изучили спектр звездочки в центре остатка Сверхновой 1006 г., полученный на спутнике, оснащенном ультрафиолетовым спектрометром. В спектре звезды, являющейся белым карликом, случайно расположенным позади остатка сверхновой, обнаружились линии поглощения этого остатка, смещенные в синюю часть Линии принадлежали кремнию в трех стадиях ионизации и ионизованному железу и свидетельствовали о расширении оболочки сверхновой со скоростью порядка 5-6 тыс. км/с.

Однако проведенные до сих пор теоретические расчеты показывают, что при взрыве сверхновой I типа центральное тело не образуется, а происходит полный разлет оболочки. Поэтому получила развитие еще и другая версия, согласно которой указанные радиоактивные процессы идут в самой оболочке. Доказательства верности гипотезы усиленно ищут путем анализа спектральных данных. В частности, в пользу нее говорит спектр Сверхновой 1972 г. полученный Р. Киршнером и Дж. Оуком на 725-е сутки после максимума блеска. В нем присутствуют запрещенные линии ионизованного железа. Следы кобальта-56 в первые недели после вспышки сверхновой в спектрах надежно не установлены. Тем не менее грубые подсчеты количества железа, поставляемого сверхновыми в межзвездную среду, оказываются соответствующими наблюдаемым оценкам. Правда, получается, что сверхновые I типа являются его монопольными "поставщиками". Кроме того, И.С. Шкловский обнаружил, что гамма-излучение Вселенной как раз несколько повышено в том интервале энергий, где излучают ядра изотопов, кобальта-56 при превращении их в железо.

Пока, видимо, рано судить о том, какой вариант радиоактивной гипотезы реализуется в сверхновых I типа, но, судя по всему, это скоро выяснится.

Роль сверхновых в эволюции Галактики и образовании Солнечной системы

Изучение сверхновых показывает их важную роль в эволюции вещества Галактики и ее основных компонентов - звезд, газа и космических лучей. Все вещество Галактики, за исключением той доли, которая застряла в белых карликах, прошло через "лаборатории" сверхновых, чтобы превратиться затем в звезды новых поколений и более богатый тяжелыми элементами межзвездный газ.

Вспышки сверхновых звезд и длительная жизнь их остатков существенно влияют на эволюцию межзвездного газа. Около трети энергии вспышек сверхновых выделяется в форме рентгеновского и ультрафиолетового излучений, которые нагревают и ионизуют разреженный межзвездный газ. При торможении оболочек сверхновых межзвездным газом их энергия расширения переходит в энергию, движения этого газа. В главной плоскости Галактики, где вспышки следуют с интервалами меньшими, чем время существования их остатков, эти затормозившиеся остатки могут сливаться, образуя своего рода коридоры горячего газа и гигантские пузыри. Плавая в холодном газе Галактики, эти пузыри горячей плазмы всплывают над нею и, остывая, превращаются в газовые облака, обладающие значительной скоростью. Эти облака над Галактикой обнаружены по их радиоизлучению в линии водорода на волне 21 см.

Вспышки сверхновых действуют и на межзвездную пыль. Ударные волны, порождаемые сверхновыми в межзвездном газе, испаряют отдельные пылинки, а с другой стороны, сгребают массы пылинок в плотные газо-пылевые комплексы и способствуют в последних зарождению звезд. В созвездии Большого Пса обнаружено газовое кольцо, богатое звездами. Оно является остатком сверхновой имеющим возраст 800 тыс. лет. Звезды в нем, очевидно, родились из газа и пыли, уплотненных остатком сверхновой.

Наше Солнце и планеты образовались около 5 млрд. лет назад из газо-пылевого досолнечного облака, содержавшего практически все химические элементы таблицы Менделеева. Это богатство элементами - следствие вспышек сверхновых в районе формирования Солнечной системы, поскольку мы не знаем в природе других мест, кроме недр сверхновых, где могли бы образоваться тяжелые атомные ядра. Исследования состава древнейших земных пород, образцов, доставленных с Луны, и большинства метеоритов показывают, что приблизительно в 85% тяжелых элементов в них имеют возраст 9-10 млрд. лет, т. е. возникли в начальный период образования Галактики, когда в звезды превратилось очень много газа и было поэтому много вспышек сверхновых. Выброшенный тогда из сверхновых материал успел распределиться по всей Галактике. Примерно 11-13% тяжелых элементов имеют возраст около, 5 млрд. лет, т. е. являются веществом одной из сверхновых, вспыхнувших перед образованием Солнечной системы. Остальные несколько процентов приходятся на промежуток между этими возрастами.

Исследования древнейших по возрасту метеоритов - так называемых углистых хондритов - показали, что перед формированием из облака Солнца и планет вблизи него произошли, по-видимому, даже две вспышки сверхновых с интервалом в сто миллионов лет.

Здесь следует подчеркнуть существенное различие между метеорными пылинками и метеоритами. Они различаются между собой и степенью рыхлости, и своей биографией. Метеорные тела, попадая в атмосферу Земли, сгорают в ней без остатка на стокилометровой высоте (метеоры), и только несгоревшие "шлаки" оседают впоследствии на поверхность планеты. Астрономам удалось выяснить, что представляют собой метеорные тела до попадания в атмосферу: это очень рыхлые образования из кристаллов различных соединений, слившиеся и сцепившиеся в крупные хлопья - своего рода "космический снег" или, скорее, "космический смог". На рост таких пылинок в условиях низкой температуры и большой разреженности космического пространства уходят миллионы и миллиарды лет. Ведь, чтобы пылинки росли, нужны встречи между ними при относительно небольших скоростях и возникновение придгяжения вследствие разности электрических зарядов пылинок, а не под действием их тяготения. Таким путем вокруг ядер гяжелых элементов конденсируются и кристаллизуются легкие молекулы межзвездного газа. Слипание в "снежный ком" идет медленно, но непрерывно.

При сосредоточении таких хлопьев в одном месте межзвездного пространства в значительном количестве в него будут плохо проникать рентгеновские и космические лучи, поддерживающие температуру межзвездной среды, поэтому в таком облаке из "космического смога" температура понизится до нескольких Кельвинов выше абсолютного нуля. Это обстоятельство ускоряет рост конденсации и кристаллизации пылинок. Образуется газо-пылевое облако, и начинается процесс формирования звезд и планет.

Мы не будем здесь вдаваться в подробности - предполагаемых путей возникновения планет из газо-пылевого облака. Это сложные процессы, главные стадии которых еще далеко не ясны. Нам здесь хотелось лишь показать, что в создании планетной системы определенную роль сыграли взрывы сверхновых, в ходе которых были созданы ядра тяжелых атомов, рсновная масса межзвездного газа и пыли.

Но с образованием планетной системы, как мы сейчас увидим, роль сверхновых, в истории, нашей планеты, по-видимому, не кончается.

Картина вспышки близкой сверхновой

Представим себе, что недалеко от нас, скажем на расстоянии 10 пс, вспыхнула сверхновая звезда. Что мы будем видеть на небе и какие последствия это вызовет на Земле? Этот вопрос был изучен И.С. Шкловским и В.И. Красовским в 1957 г. Согласно описанию, приведенному в книге И.С. Шкловского "Сверхновые звезды", события будут развиваться так.

Примерно в течение одного месяца на небе разгорелась бы яркая звезда, достигая в максимуме блеска -18-й видимой звездной величины. Если вспомнить, что блеск Солнца составляет -27 звездных величин, а Луны в полнолуние -12.6 звездной величины, то сверхновая будет в это время создавать освещенность на Земле в 1000 раз больщую, чем Луна, и всего в 1000 раз меньшую, чем Солнце. Такая звезда была бы хорошо заметна в дневное время, а ночью от нее было бы так же светло, как в период белых ночей в Ленинграде. Без преувеличения можно было бы сказать, что с момента появления сверхновой вся наблюдательная астрономия вскоре свелась бы к наблюдениям сверхновой. Да и как могло бы быть иначе? Ведь, даже когда звезда находилась бы за горизонтом, она вызывала бы сильное свечение неба.

Дело в том, что основное свечение звезды в период максимума блеска приходится на крайнюю ультрафиолетовую область спектра. Это излучение ионизовало бы на долгий срок в 100 тыс. лет весь межзвездный водород на несколько десятков парсеков вокруг звезды. Ультрафиолетовое излучение сверхновой было бы в сотни раз интенсивнее ультрафиолетового излучения Солнца. Оно вызвало бы необыкновенно яркое свечение верхних слоев атмосферы - полярное сияние, охватывающее всю ночную сторону Земли. К счастью, само ультрафиолетовое излучение, губительное для живых земных организмов, не дошло бы в опасных размерах до поверхности нашей планеты, было бы поглощено верхними слоями атмосферы.

Яркое свечение сверхновой продолжалось бы несколько лет, пока звезда не перестала бы быть видимой простым глазом. Но вокруг звезды, ставшей почти незаметной, образовалась бы яркая расширяющаяся туманность. Через 30 лет ее размер составлял бы 1^o на небе, а через триста лет - уже около 10^o. Затем размеры ее росли бы медленнее из-за торможения оболочки в межзвездной среде. Но все-таки через 10 тыс. лет расширяющаяся оболочка сверхновой достигла бы Солнечной системы. Наша планетная система погрузилась бы в эту оболочку, что имело бы уже серьезные последствия для живых организмов на нашей планете.

И без того светлое ночное небо Земли было бы покрыто причудливыми волокнистыми облаками, своей яркостью подобными Млечному Пути. Но, как мы знаем, внутри оболочки сверхновой заперты релятивистские частицы, обладающие высокими энергиями. Они обрушились бы на Землю и другие планеты. Интенсивность потоков этих космических лучей в сто раз иногда и более превышает интенсивность космических лучей в нормальную эпоху. Известно, что, попадая в атмосферу Земли, релятивистские частицы называемые также первичными космическими лучами, распадаются и образуют ливни вторичных, более мягких (с меньшим запасом энергии) космических лучей. Но при возрастании интенсивности космических лучей значительно повысится количество первичдых крсмических лучей, достигших земной поверхности.

Появление мощных космических лучей у поверхности Земли оказало бы важное влияние на судьбу живых организмов. Средняя радиоактивность воздуха в приземном слое составляет 0.12 Р (рентген)в год; из них на радиоактивность, рождаемую космическими лучами, приходится треть. При повышении же космического излучения в 100 раз уровень радиоактивности повысится в 30 раз, а временами - и значительно больше. Для состояния здоровья людей эта доза вовсе не опасна. Но важно другое. Повышенная космическая радиация существовала бы несколько десятков тысяч лет. и вызвала бы мутации, опасные для будущих поколении.

И.С. Шкловский и В.И. Красовский предположили, в частности, что исчезновение динозавров, полностью господствовавших на Земле в юрский период и вдруг быстро вымерших в конце мелового периода, возможно, было связано со вспышкой близкой сверхновой, вызвавшей повышение уровня космического излучения на сотню тысяч лет. Как известно, радиоактивность является одной из причин мутаций передающихся по наследству. При повышении уровня радиации число мутаций возрастает. Организмы с коротким циклом созревания малочувствительны к повышениям радиации, тогда как имеющие длительный цикл созревания резко реагируют на небольшие дозы радиации. Мутации могут способствовать улучшению того или иного биологического вида но чаще всего это относится к молодому, возникающему виду. Старый же биологический вид, развившиися, от мутаций страдает чаще и деградирует, Жертвой чувствительности к радиации, возможно, оказались динозавры, бывшие в меловую эпоху господствующим классом животных. А развившиеся теперь классы млекопитающих и птиц тогда были еще молодыми с крепкой наследственностью, улучшавшейся даже от "космических биологических экспериментов". Можно полагать, что будущая вспышка сверхновой была бы опасна наиболее развитым классам животных.

Изменение наследственности вследствие мутаций, вызываемых радиоактивностью среды,- не только важный двигатель эволюции живой природы. По мнению И.С. Шкловского, не исключено, что и сама жизнь на нашей планете могла зародиться в океане вследствие длительного повышения уровня радиации, вызванного вспышкой сверхновой вблизи нашей планетной системы примерно 2-3 млрд. дет назад.

Какой же остаток сверхновой является ближайшим к нам, и не вызвал ли он повышение радиоактивности на Земле в прошлом? Таким остатком является объект Паруса X, находящийся на расстоянии 500 пс, а может быть, и чуточку ближе. Его возраст 8 тыс. лет (табл. 14). В то же время возраст его пульсара оценивается в 11 тыс. лет (табл. 15); некоторые подсчеты дают, правда, и 5 - 6 тыс. лет. При уровне наших знаний об эволюции пульсаров такой разброс оценок возрастов не слишком велик. Выходит, что "второе солнце" древних шумеров могло оказаться вспышкой близкой сверхновой Паруса X, если датировка события верна.

Но заслуживает внимания и оценка 11 тыс. лет В 1965 г. ленинградские ученые акад. Б.П. Константинов и Г.Е. Кочаров предположили, что повышенная доза осадков радиоактивного углерода в отложениях пород может быть следствием усиления проникающей радиации (гамма и рентгеновское излучение) на поверхности Земли в результате вспышки близкой сверхновой. Эта радиация может вызывать реакции с ядрами азота, содержащегося в атмосфере, в ходе которых возникает радиоактивный углерод. Заметим здесь, что именно радиоактивный углерод, присутствующий в отложениях органического происхождения, был первым классическим средством для датировки палеонтологических и археологических находок. Этот метод был предложен в 1947 г. американским физико-химиком У. Либби, удостоенным Нобелевской премии.

В 1980 г. космохимик Р. Брекенридж (США) нашел в отложениях позднечетвертичного периода, взятых в десяти разных местах земного шара, слои с органическими остатками и богатым содержанием радиоактивного углерода, по которому возраст этих остатков был оценен в 10-11 тыс. лет! Этот факт бесспорно указывал бы на воздействие сверхновой Паруса Х и давал бы ее точный возраст, если бы удалось отыскать следы других сверхновых, например, 1054 г. Иначе просто установлена дата гигантской общеземной катастрофы.

Рис. 38. Положение большой радиоизлучающей "петли" на карте неба.

Заметим, кстати, что, по расчетам И.С. Шкловского, при частоте вспышек сверхновых одна в сто лет в Галактике вспышки на расстоянии до 10 пс от Солнца в среднем повторяются через 1.5 млрд. лет, а в радиусе до 20 пс от него уже через 200 млн. лет, на расстояниях до 30 пс через примерно 60 млн. лет и т. д. - обратно пропорционально кубу расстояния от Солнца.

В связи с этим интересна особенность радиоиздучения нашей Галактики, обнаруженная еще 30 лет назад при одном из ранних исследований интенсивности радиоизлучения всей части неба, доступной наблюдениям в Северном полушарии. Кроме ярко излучающего в радиодиапазоне пояса Млечногб Пути на небе была обнаружена большая радиоизлучающая петля (или шпора, отрог), идущая через созвездия Стрельца, Змееносца, Геркулеса, Волопаса, Девы и по ряду южных созвездий. По форме петля представляет собой круг небесной сферы диаметром около 110^o с центром в созвездии Волка (рис. 38).

Природа этого радиоизлучающего объекта неясна. Наряду с другими гипотезами была предложена для его объяснения и гипотеза о том, что петля представляет собой остаток оболочки сверхновой, вспыхнувшей на расстоянии 130 пс около 30 тыс. лет назад. В пользу гипотезы говорит нетепловой характер радиоизлучения петли, но в ее области не найдено оптического свечения, сходного с волокнами остатков. Правда, в радиоизлучении волокнистая структура обнаружена. Исходя из этои гипотезы, И.С. Шкловский и Е.К. Шеффер предсказали присутствие в петле мягкого рентгеновского излучения, подобного найденному в волокнистых туманностях. Спустя год, в 1972 г., оно было действительно обнаружено. Температура излучения около 2 млн. Кельвинов.

Если петля была остатком сверхновой, то повторения вспышки сверхновой вблизи Солнца следует ожидать не скоро, срок биологической безопасности. можно оценить в 100 млн. лет.

Однако не исключено, что в недалеком будущем мы станем очевидцами вспышки сверхновой в нашей Галактике на расстоянии в 1 - 3 кпс от Солнца. Блеск такой сверхновой достигнет -10-й звездной величины, если она не вспыхнет в области с сильным межзвездным поглощением. Наблюдение такой вспышки станет выдающимся научным событием в астрономии. Несомненно, будет собран исключительный по ценности и объему информации материал. Его анализ даст решение многих загадок о природе сверхновых, над решением которых сейчас упорно трудятся астрономы.

---

Глава XI. Пульсары - еще один вид реликтов сверхновых | Оглавление | Заключение