Как формируются сверхновые: физика самых больших взрывов во Вселенной

Сверхновая — это взрыв на конечной стадии жизни звезды. По данным NASA, взрыв может становиться в миллиарды раз ярче Солнца в течение короткого периода, уничтожая звезду в одном катастрофическом событии. Астрономы разделяют сверхновые на две большие группы, определяемые различными физическими механизмами: сверхновые с коллапсом ядра и сверхновые типа Ia (термоядерные).

Коллапс ядра: когда массивная звезда исчерпывает топливо

Департамент энергетики США объясняет, что на протяжении большей части жизни звезды внутренняя гравитация и внешнее давление от ядерного синтеза находятся в равновесии. У звёзд, как минимум в восемь раз более массивных, чем Солнце, это равновесие в конечном итоге нарушается. По мере того как ядро исчерпывает ядерное топливо и остывает, внутреннее давление падает, и гравитация внезапно берёт верх, вызывая коллапс звезды в течение нескольких секунд, согласно агентству.

NASA более подробно описывает этот же процесс: масса продолжает поступать в ядро по мере того, как синтез производит железо, которое не может быть расщеплено далее для высвобождения энергии. Как только железное ядро становится слишком массивным, чтобы поддерживать свой собственный вес, оно коллапсирует, а затем отскакивает, создавая ударную волну. По данным NASA, эта ударная волна нагревает окружающий материал, синтез слияния создаёт в внешних слоях новые элементы и выбрасывает материал в космос. Этот механизм производит то, что астрономы классифицируют как сверхновые типа II, Ib и Ic, в зависимости от того, какие внешние слои звезда уже потеряла до взрыва.

Тип Ia: цепная термоядерная реакция на белом карлике

Второй механизм вообще не требует массивной звезды. Сверхновые типа Ia происходят в двойных системах, где белый карлик — плотный остаток звезды типа Солнца — вращается вокруг звезды-спутника и постепенно вытягивает из неё материал. По мере того как белый карлик набирает массу, его внутренняя температура повышается. NASA объясняет, что когда белый карлик превышает примерно 1,4 массы Солнца, порог, известный как предел Чандрасекара, температуры становятся достаточно экстремальными, чтобы спровоцировать неконтролируемый синтез более тяжёлых элементов, вызывая взрыв белого карлика. Департамент энергетики добавляет, что в некоторых двойных системах два белых карлика вместо этого сталкиваются, достигая того же взрывного результата.

Поскольку взрыв срабатывает при постоянном пороге массы, сверхновые типа Ia выделяют примерно одинаковое количество энергии каждый раз. NASA отмечает, что астрономы используют их как стандартные свечи: сравнивая, насколько ярко сверхновая типа Ia выглядит с Земли с её известной внутренней яркостью, исследователи могут рассчитать расстояние до галактики, которая её содержит. NASA также отмечает, что события типа Ia происходят примерно один раз в 500 лет в Млечном пути.

Что происходит после взрыва

Остаток, оставшийся после взрыва, зависит от того, сколько массы выживает после коллапса ядра. NASA утверждает, что если оставшееся ядро имеет массу ниже примерно трёх солнечных масс, оно стабилизируется в ультра-плотную нейтронную звезду; выше этого порога оно продолжает коллапсировать в чёрную дыру. Департамент энергетики описывает тот же общий результат: особенно крупные звёзды оставляют после себя чёрную дыру, а более мелкие остатки становятся ультра-плотной нейтронной звездой.

Сверхновые также помогают создавать новые химические элементы. NASA отмечает, что синтез в ударной волне взрыва производит новые элементы по мере выброса материала в космос. В связанном, но отдельном событии, называемом килоновой, которое происходит при слиянии двух нейтронных звёзд, NASA говорит, что богатые нейтронами условия позволяют атомам слиться в тяжёлые элементы, такие как золото и платина. Департамент энергетики утверждает, что сверхновая происходит где-то во Вселенной примерно каждые 10 секунд.

Живой пример: SN 1987A

Самая четкая иллюстрация коллапса ядра в реальном мире происходит из Сверхновой 1987A. По данным команды телескопа Уэбба Европейского космического агентства, свет взрыва достиг Земли в феврале 1987 года из Большого Магелланова облака, примерно в 160 000 световых годах, что сделало его первой сверхновой, видимой невооружённым глазом с 1604 года. В феврале 2024 года ESA сообщила, что инструменты MIRI и NIRSpec телескопа Джеймса Уэбба обнаружили ионизированный аргон — атомы, лишённые пяти электронов — в центре остатка, сигнатура, требующая источника с исключительно высокой энергией.

ESA описывает это как первое прямое свидетельство того, что коллапс ядра сверхновой произвёл нейтронную звезду, а не чёрную дыру в случае, который астрономы могли наблюдать почти с момента взрыва, подтверждая десятилетия теоретических предсказаний реальными данными.

Сверхновые с коллапсом ядра в сравнении со сверхновыми типа Ia