8.5. Почему взрываются сверхновые звёзды?
Согласно современным представлениям взрывы сверхновых звёзд происходят на заключительном этапе звёздной эволюции. Но какой-либо последовательной теории, объясняющей эти взрывы, до сих пор нет. Кроме того, не существует никаких наблюдательных фактов, прямо подтверждающих эту точку зрения.
Почему же тогда предполагается, что взрыв сверхновой – это заключительный этап эволюции звезды?
Это предполагается потому, что никаких других альтернативных предположений, объясняющих взрывы сверхновых звёзд в рамках современной теории образования звёзд сделать просто невозможно.
Действительно, предположим, (как это предполагается в современной астрофизике), что звезда образуется в результате гравитационного сжатия разреженного газового облака. В этом случае никаких взрывов в сжимающемся облаке газа до начала ядерных реакций быть, естественно, не может. Но и после того, как начнутся реакции горения водорода, и звезда, соответственно, «встанет», в зависимости от своей массы, на какую-нибудь точку главной последовательности, в ней также не может быть никаких мощных взрывов. Потому что звезда, находясь в фазе горения водорода, представляет собой очень устойчивое образование (см. параграф 1.2). Вот что, к примеру, писал об этом советский астрофизик И. Шкловский [186,с.209]:
Но, с другой стороны, даже ничего не зная о конкретном механизме вспышки (вернее, взрыва) звезды, можно утверждать, что такая «неприятность» с ней может случиться только после того, как она сойдёт с главной последовательности и начнёт весьма сложный заключительный этап своей эволюции.
Итак, согласно общепринятому сценарию образования звёзд взрывы в звезде могут начаться только после того, как в её ядре образуется большое количество вещества, находящегося в вырожденном состоянии. Предполагается, что в самом конце эволюции звезды, когда в её центральной области образуется массивное железное ядро, это ядро в какой-то момент начинает быстро сжиматься под действием гравитации. В результате такого катастрофического сжатия электроны вдавливаются внутрь атомных ядер, и вещество переходит в нейтронное состояние. Электрон е и протон р+ превращаются в нейтрон п и нейтрино .
р+ + е п + (8.14)
При этом значительная часть выделившейся колоссальной энергии сжатия переходит в энергию образовавшихся нейтрино. И мощный поток нейтрино настолько силён, что (несмотря на то, что нейтрино чрезвычайно плохо взаимодействует с веществом) выбрасывает внешние оболочки звезды в окружающее пространство. Так выглядит один из возможных сценариев взрыва сверхновой звезды в рамках традиционного подхода.
Существуют ли
астрономические наблюдения, подтверждающие
этот сценарий? Существуют, но только
косвенные, интерпретировать которые
можно по-разному. Во-первых, взрывы
сверхновых звёзд сопровождаются мощной
нейтринной вспышкой. Во-вторых, в спектрах
сверхновых звёзд обнаружены тяжёлые
радиоактивные элементы. Например, при
взрыве сверхновой 1987 года в Большом
Магеллановом Облаке зарегистрирована
гамма-линия 847 кэВ, которая возникает
при распаде радиоактивного изотопа
кобальта
в железо. При этом характерное время
уменьшения блеска сверхновой составляло
111,3 суток, что практически совпадает со
временем распада
[163,с.434].
Итак, существование нейтринной вспышки считается достаточным доказательством того, что при взрыве сверхновой образуется нейтронная звезда. А наличие тяжёлых элементов – доказательством, что взрыв сверхновой происходит после того, как эти тяжёлые элементы в ней образовались, то есть в самом конце звёздной эволюции.
Однако существуют сверхновые звёзды, относящиеся к I типу (сверхновые звёзды делятся на два основных типа I и II), после взрыва которых никаких нейтронных звёзд и прочих звёздных остатков не было обнаружено [163,с.433]. А что касается радиоактивного кобальта, обнаруженного в сверхновой звезде 1987 года в Большом Магеллановом Облаке, то его наличие можно объяснить распадом сверхплотного нейтронного вещества. Тем более что звезда перед взрывом находилась не в конце своей эволюции, а в стадии главной последовательности (см. об этом в параграфе 5.3), когда синтез тяжёлых элементов в звезде ещё не начался.
Существуют и другие проблемы, связанные с объяснением взрывов сверхновых звёзд. Например, сверхновые II типа вспыхивают только в ветвях спиральных галактик, там, где происходят интенсивные процессы звездообразования. Эти сверхновые не вспыхивают в эллиптических галактиках. Что касается сверхновых I типа, то они вспыхивают и в эллиптических и в спиральных галактиках, причём, в спиральных галактиках их взрывы никак не связаны со спиральными рукавами. Отсюда делается вывод, что сверхновые II типа – это звёзды большой массы, очень быстро прошедшие весь свой эволюционный путь, а сверхновые I типа – наоборот, маломассивные звёзды. Вот как это комментирует И. Шкловский [186,с.209]:
Тот факт, что в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа, сам по себе весьма многозначителен. Дело в том, что по современным представлениям, основывающимся на теории звёздной эволюции и наблюдательных данных, в составе звёздного населения таких галактик практически нет звёзд, масса которых превышала бы некоторый предел, близкий к массе Солнца. В эллиптических галактиках почти нет межзвёздной среды, и поэтому процесс звездообразования давно уже там прекратился. Следовательно, звёздное население таких галактик – это очень старые звёзды с малой (не больше солнечной) массой. Когда-то, около 10 миллиардов лет назад, когда в эллиптических галактиках бурно протекал процесс звездообразования, там рождались и массивные звёзды. Но сроки их эволюции сравнительно невелики, и они давно уже прошли стадию красных гигантов, превратились в белые карлики и другие «мёртвые» объекты, о которых речь будет идти в последней части этой книги. Отсюда следует важный вывод, что сверхновые I типа до взрыва – это очень старые звёзды, масса которых если и превосходит массу Солнца, то очень ненамного (скажем, на 10-20%). Так как кривые блеска и спектры всех сверхновых этого типа удивительно сходны, мы можем утверждать, что и в спиральных галактиках (например, в нашей) звёзды, вспыхивающие как сверхновые I типа, суть очень старые объекты со сравнительно небольшой массой.
Но ведь звёзды с массой порядка солнечной не могут вспыхивать как сверхновые! Согласно современным представлениям такие звёзды в конце своей эволюции превращаются в белых карликов. В менее массивных звёздах термоядерные реакции прекращаются после выгорания водорода в центральных областях. В более массивных звёздах температура в центре достаточна для того, чтобы произошла «гелиевая вспышка» и началось горение гелия. Но в любом случае, в звёздах с массой порядка солнечной дальше горения гелия дело не идёт. В таких звёздах не образуются тяжёлые элементы группы железа, которые присутствуют в спектрах сверхновых звёзд.
Так что же взрывается в эллиптических галактиках в виде сверхновых звёзд?