Сверхновые звёзды

Сверхновые звёзды, звёзды, испытавшие катастрофический взрыв, за которым последовало огромное увеличение их блеска. В максимуме блеска светимость С. з. в миллиард раз превышает светимость таких звёзд, как Солнце, превосходя иногда светимость всей галактики, в которой они находятся. Максимум блеска С. з. наступает примерно через две-три недели после взрыва. После этого её блеск начинает постепенно падать, уменьшаясь в течение последующих 100 сут в 25—50 раз. В среднем в галактике, подобной нашей, вспыхивает одна-две С. з. в столетие. В нашей Галактике последние вспышки С. з. наблюдали Т. Браге в 1572 и И. Кеплер в 1604. Не исключено, что за последние три века в Галактике произошло ещё несколько вспышек С. з., которые, однако, не были замечены из-за сильного поглощения их света межзвёздной пылью. Наблюдая одновременно большое число галактик, астрономы открывают полтора-два десятка внегалактических С. з. ежегодно. Название "С. з." дано этим объектам по аналогии с новыми звёздами, но подчёркивает значительно более мощный характер вспышек.

По характеру изменения блеска со временем и спектру С. з. разделяют на 2 типа. С. з. I типа, как правило, в 3—5 раз ярче сверхновых II типа и характеризуются более медленным уменьшением блеска после максимума. Для спектров С. з. II типа наиболее характерны интенсивные линии излучения, тогда как для С. з. I типа — очень широкие линии поглощения. Другим отличием является присутствие в спектре С. з. II типа сильных линий водорода, почти полностью отсутствующих в спектрах С. з. I типа.

Большое значение для изучения С. з. имело обнаружение в Галактике продуктов их взрыва: расширяющихся с большими скоростями газовых оболочек (т. н. остатков сверхновых) и звездообразных объектов — пульсаров. Последние являются быстровращающимися нейтронными звёздами, для которых характерно радиоизлучение, пульсирующее с периодом, равным периоду вращения звезды. Остатки С. з. являются источниками т. н. синхронного радиоизлучения, которое возникает при торможении электронов большой энергии в магнитных полях оболочек. Некоторые из остатков С. з. являются также источниками теплового рентгеновского излучения с температурой 106—107 К. Наиболее поразительным из всех остатков С. з. нашей Галактики можно считать Крабовидную туманность, которая находится на том месте, где в 1054 вспыхнула яркая С. з., отмеченная в китайских и японских хрониках. Помимо причудливой волокнистой туманности, расширяющейся со скоростью около 1500 км/сек, в этом остатке наблюдается пульсар с периодом излучения 0,033 сек в радио-, оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. По ряду признаков С. з. 1054 нельзя отнести ни к I, ни ко II типу.

Анализ имеющихся наблюдательных данных о С. з. и о их остатках позволяет нарисовать в общих чертах следующую картину эволюции С. з. (характерные параметры приведены в табл.). При взрыве С. з. значительная доля массы звезды (а в некоторых случаях, возможно, и вся её масса) превращается в оболочку, расширяющуюся со скоростями до 20000 км/сек. Увеличение блеска связано в значительной мере с увеличением радиуса излучающей поверхности. В максимуме блеска С. з. имеют колоссальный радиус, в 20—40 тыс. раз превышающий солнечный. По мере расширения оболочки её плотность уменьшается. При последующем расширении в межзвёздной среде оболочка С. з. начинает взаимодействовать с межзвёздным газом, что приводит к образованию ударной волны. Следствием этого является нагрев и торможение оболочки. Через десятки тысяч лет остаток С. з. охватывает объём пространства радиусом более 10 пс, заполненный горячей плазмой с температурой около 106 К. На границе этого объёма находится слой более холодного и плотного межзвёздного газа, увлечённого при расширении оболочки. Масса этого газа достигает нескольких сот солнечных масс (типичный пример такого остатка С. з. — волокнистая туманность в созвездии Лебедя). По прошествии сотен тыс. лет скорость расширения оболочки падает до величины порядка 10 км/сек и её уже невозможно выделить на фоне хаотически движущихся облаков межзвёздного газа. Теория пока ещё (70-е гг. 20 в.) не в состоянии дать определённый ответ на вопрос о механизме вспышек С. з. Однако, по-видимому, можно считать, что взрыв С. з. — результат неустойчивости, возникающей на поздних стадиях эволюции звёзд. Наиболее вероятными представляются следующие два механизма вспышек: термоядерный взрыв вырожденного ядра, состоящего из углерода; гравитационный коллапс, т. е. катастрофическое падение вещества звезды к центру, когда термоядерная энергия последней оказывается полностью исчерпанной. В последнем случае предполагается, что бурное выделение гравитационной энергии приводит при некоторых условиях к разлёту наружных слоев звезды.

Характеристики сверхновых звёзд

Параметры

Сверхновые звёзды 1 типа

Сверхновые звёзды 11 типа

Масса выброшенной оболочки (в массах Солнца)

0,1—0,5

около 1

Скорость расширения в максимуме блеска, км/сек

10—20 тыс.

5—15 тыс.

Температура в максимуме блеска, К

15—20 тыс.

10—15 тыс.

Полная энергия излучения, эрг

1049—1050

3×1048—3×1049

Кинетическая энергия оболочки, эрг

1050—1051

2×1050—2×1051

1 эрг =10-7 дж.

Одним из самых интересных аспектов физики С. з. является их роль в термоядерном синтезе химических элементов и преобразовании химического состава Галактики. К моменту взрыва С. з. значительная доля её массы в форме водорода и гелия оказывается преобразованной посредством термоядерных реакций в элементы с большими атомными весами. При взрыве возникают условия для синтеза ещё более тяжёлых элементов, в том числе элементов группы железа. В результате этого вещество, выбрасываемое С. з. в межзвёздную среду, обогащено тяжёлыми элементами. На протяжении ранней истории Галактики взорвалось достаточно много С. з., чтобы существенно изменить её первоначальный химический состав. Наблюдения показывают, что самые "старые" звёзды Галактики содержат в 100—1000 раз меньше тяжёлых элементов, чем Солнце и другие звёзды, образовавшиеся позднее.

Со С. з. в значительной мере связывают также и происхождение космических лучей в Галактике. Предполагается, что ускорение космических лучей происходит в электромагнитных полях пульсаров и частично в ударных волнах расширяющихся оболочек С. з.

Лит.: Шкловский И. С., Сверхновые звёзды, М., 1966; Поковский Ю. П., Новые и сверхновые звёзды, М., 1974; Мустель Э. Р., Вспышки сверхновых и термоядерные процессы, "Природа", 1974, № 12.

Э. Р. Мустель, Н. Н. Чугай.