7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Описанный в предыдущем параграфе эволюционный путь, конечной стадией которого является белый кар­лик, постепенно остывающий и превращающийся в чер­ный (т. е. неизлучающий) карлик, справедлив для звезд относительно небольшой массы, не более 1,2 Мс. В то же время через стадию главной последовательности с превращением в красных гигантов проходят звезды лю­бой массы, в том числе и превосходящей солнечную в 10—20 раз и более. Но после стадии красного гиганта они эволюционируют иначе, чем маломассивные звезды. Конец их эволюции исключительно интересен, в том числе и с точки зрения освобождения энергии и интен­сивности ее излучения.

Надежные теоретические данные показывают, что если звезда имеет остаточную массу 1,2—2,5 Мс и в ее недрах после исчерпания ядерного горючего прекрати­лось энерговыделение за счет ядерных реакций, то та­кая звезда будет катастрофически сжиматься до совер­шенно ничтожных размеров (порядка 10—20 км). Плот­ность вещества при этом на несколько порядков превысит плотность белых карликов и достигнет вблизи центра чудовищных значений — 1014—1015 г/см3.

В самых поверхностных слоях таких образований плотность составляет 104—106 г/см3, т. е. она там та­кая же, как у белых карликов. Вещество состоит из ядер и электронного газа. Среди ядер весьма много ядер же­леза, так как они являются конечным продуктом реак­ций синтеза с выделением энергии, происходивших в звезде на предыдущих этапах ее жизни. С глубиной давление и плотность быстро растут. При плотностях 1011 г/см3 (а эта плотность достигается уже на глубине порядка 100 м) электроны вдавливаются внутрь ядер, а там они объединяются с протонами, превращая их в нейтроны. Меняется состав ядерного компонента ве­щества: преобладают ядра с большой массой, но отно­сительно малым зарядом, т. с. номером в периодической системе, другими словами, такие ядра, где много ней­тронов и сравнительно мало протонов (например, цир­коний и т. п.).

При еще больших плотностях, превосходящих 4,3•1011 г/см3, ядра разрушаются. Они как бы раздавли­ваются и образуют нейтронный газ. Если в обычных, условиях свободный нейтрон неустойчив и довольно бы­стро распадается на протон и электрон, то здесь, при громадных плотностях, такие распады не происходят — им препятствуют большие плотность и давление. Впро­чем, небольшая примесь протонов и электронов в нед­рах такого образования имеется, по тех и других, по-видимому, не более чем по 4% общего числа частиц.

Таким образом, если масса проэволюционировавшей звезды достаточно велика, то после истощения ядерного горючего звезда сжимается в чрезвычайно компактную конфигурацию радиусом около 10 км, в которой основ­ная часть вещества находится в виде нейтронного газа.

Существование таких нейтронных звезд было пред­сказано теоретически Л. Д. Ландау еще в 30-е годы. Наблюдательное открытие их было исключительно эф­фектным и совершенно неожиданным, оно было сде­лано при выполнении совсем других работ. Читатель, безусловно, знает о пульсарах, первый из которых был обнаружен в 1967 г. аспиранткой Кавендишской лабо­ратории Кембриджского университета Дж. Белл. Не останавливаясь на истории открытия и замечательных свойствах пульсаров (эти источники неоднократно они же неизбежные потери момента количества движения при коллапсе, конечно, увеличат этот расчетный период. Однако имеется приличный «запас прочности», тем бо­лее что многие звезды, как показывают наблюдения, вращаются значительно быстрее Солнца.

6. Аналогично сохранению момента количества дви­жения должен сохраняться магнитный поток. Следова­тельно, напряженность магнитного поля на поверхности звезды должна меняться обратно пропорционально квад­рату ее радиуса. Напряженность в несколько эрстед на поверхности обычных звезд (а наблюдаются «магнит­ные» звезды с полями, доходящими до нескольких ты­сяч эрстед) при коллапсе может возрасти до 1012 Э.

7. Естественно считать, что каким бы ни был ме­ханизм электромагнитного излучения пульсара (ней­тронной звезды), он будет связан с ее магнитным полем, которое может иметь исключительно большую напря­женность. Предложено несколько конкретных механиз­мов генерации излучения, но ни один из них не стал общепринятым. Ряд механизмов предполагает генера­цию излучения вблизи магнитных полюсов и распрост­ранение его в направлении силовых линий. Это естест­венно объясняет существование диаграммы направлен­ности, несовпадение же магнитной оси с осью вращения столь же естественно объясняет периодическое повторе­ние импульсов.

Сейчас известно более 340 пульсаров. Большинство из них излучает только в радиодиапазоне, причем мак­симальная мощность сосредоточена на частотах между 100 и 500 МГц. Средняя мощность излучения для боль­шинства пульсаров характеризуется величинами 1025— 1028 эрг/с. Это не очень много и соответствует радиосве­тимости спокойного Солнца. Интересно другое — ука­занные потоки излучаются с очень небольших площа­дей, ведь радиусы пульсаров (нейтронных звезд) состав­ляют немногие десятки километров. Даже если считать, что источник излучения лежит над поверхностью ней­тронной звезды, где-нибудь в магнитосфере и имеет диаметр 300 км, или одну световую миллисекунду (т. е. величину, соизмеримую с периодом наиболее быстрых. пульсаров и временем нарастания интенсивности им­пульсов у наиболее медленных пульсаров), то и в этом случае получаются исключительно большие интенсивно­сти — 104—107 эрг•(с•см2•Гц•ср)-1.

Для сравнения укажем, что интенсивность излучения центра солнечного диска вблизи максимума распреде­ления энергии в его спектре (длина волны около 750 нм) равна 5,5•10-5 эрг•(с•см2•Гц•ср)-1, а на частоте 300 МГц, т. е. вблизи максимума излучения пульсаров, интенсивность солнечного излучения всего 3•10-14 эрг•(с•см2•ср)-1. Упомянем, что полная светимость пульсара в «Крабе» много больше вышеприведенных значений, доходя до ~1038 эрг/с, но этот пульсар — исключение.

Все пульсары постепенно увеличивают свой период. Скорости увеличения различаются в очень широких пре­делах, и обычно их выражают в 10-15 с за 1 с. В этих единицах пульсар в Крабовидной туманности увеличи­вает свой период со скоростью 422 (или 0,0133 мс в год) — это самое быстрое изменение периода среди всех известных пульсаров. У пульсаров, наиболее медленно меняющих свой период, соответствующие скорости со­ставляют 0,001—0,01 с за 1 с.

Замедление вращения пульсаров, по-видимому, явля­ется основным источником энергии их излучения. Одна­ко каков механизм превращения кинетической энергии в электромагнитные волны, еще не выяснено.

Считается также, что пульсары могут ускорять за­ряженные частицы (в частности, электроны) до весьма высоких энергий. Один из обсуждаемых в литературе механизмов их ускорения называется «эффект пращи» (рис. 8). Он представляет собой ускорение заряженных частиц вращающимся вместе с пульсаром магнитным полем. Часть силовых линий этого поля, проходящих вблизи магнитных полюсов, не замкнута, они уходят в бесконечность. Двигаясь вдоль таких линий (а поперек при большой напряженности поля они двигаться не мо­гут), электроны и получают большую скорость из-за вращения пульсара и поля.

Схема пульсара

Схема пульсара

Особое внимание астрономов привлекает Крабовид­ная туманность и находящийся в ней пульсар. Туман­ность исследована в огромном спектральном диапазо­не — от радиоволн до гамма-лучей (13 порядков или 43 октавы). Ее светимость составляет 10′8 эрг/с, из ко­торых примерно 12% приходится на радиодиапазон. До­казано (и здесь огромный научный вклад внес И. С. Шкловский), что свечение этой туманности в непрерыв­ном спектре представляет собой магнитно-тормозное излучение релятивистских электронов в магнитном поле, благодаря так называемому синхротронному механизму.

Как выяснилось в последние десятилетия, этот ме­ханизм генерации излучения весьма широко распростра­нен во Вселенной, поэтому следует рассмотреть его здесь несколько подробнее.

Если электрический заряд движется с ускорением, то он излучает электромагнитные волны. Это в полной мере относится и к электронам как носителям заряда. Далее, в магнитном поле электрон может свободно дви­гаться только вдоль силовых линий, при движении по­перек его траектория искривляется. Допустим теперь, что электрон влетает в магнитное поле перпендикулярно силовым линиям. Поле будет действовать на него с так называемой силой Лоренца, которая направлена пер­пендикулярно движению электрона и вместе с тем пер­пендикулярно полю (рис. 9). Под действием этой силы прямолинейная вне поля траектория электрона превра­щается в окружность, радиус которой пропорционален скорости электрона и обратно пропорционален напря­женности поля. В общем случае, когда электрон имеет составляющую скорость вдоль поля, его траектория бу­дет представлять винтовую линию, как бы навиваю­щуюся на направление поля.

Схема синхротронного механизма излучения

Схема синхротронного механизма излучения

Движение по окружности или по винтовой линии означает, что у электрона есть ускорение. Следователь­но, он должен излучать. Теория, согласующаяся с опы­том, показывает, что излучение будет иметь непрерыв­ный спектр, при этом частота излучения максимальной интенсивности будет пропорциональна напряженности поля и квадрату энергии электрона. В Крабовидной туманности наименее энергичные электроны, с энергия­ми 107—109 эВ, порождают радиоволны, электроны с энергиями 1011—1012 эВ ответственны за видимый свет, а электроны, обладающие еще большими энергиями, при торможении дают рентгеновские и гамма-кванты.

Считая, что масса пульсара в «Крабе» равна солнеч­ной, и, зная период, можно оценить кинетическую энер­гию вращения. Она составляет 5•1048 эрг/с. Изменение периода в 0,0133 мс в год соответствует потере энергии в 1038 эрг/с — как раз светимости Крабовидной туман­ности. Пульсар подпитывает энергией туманность.

Целая система наблюдательных данных и теоретиче­ских соображений говорит о том, что превращение проэволюционировавшей звезды в нейтронную связано с ги­гантскими, совершенно ни с чем не сравнимыми взры­вами, которые изредка наблюдаются как вспышки Сверхновых. Эти взрывы грандиозны даже по астроно­мическим масштабам, при которых, как читатель уже убедился, постоянно приходится иметь дело с огромны­ми числами.

Взрывы Сверхновых — довольно редкие явления. Но иногда они происходят и в нашей Галактике, в летопи­сях разных народов сохранились свидетельства о них. «Звезды-гостьи», как их называли, имели такой боль­шой блеск, что их порой можно было видеть днем. Но эти явления происходили в дотелескопическую эпоху. Последнюю вспышку Сверхновой в нашей Галактике наблюдал И. Кеплер в 1604 г. Все современные наблю­дения выполнены над Сверхновыми, вспыхивающими в других галактиках.

При этом в максимуме блеска мощность излучения Сверхновой оказывается сравнимой с суммарной мощ­ностью миллиардов звезд той галактики, где она вспых­нула. Так, Сверхновая 1885а была лишь на 1,9т сла­бее гигантской галактики М 31 в Андромеде, к кото­рой она принадлежала. А галактика М 31 относится к числу особо крупных, она превосходит по светимости и массе нашу Галактику, хотя и наша является гигант­ской. Сверхновая же 1972с превосходила на 4т блеск своей галактики NGC 5253.

В последние десятилетия выяснилось, что на месте взрыва остается туманность (или группа туманностей), обладающая совершенно необычными для большинства туманностей особенностями. Эти туманности получили название остатков Сверхновых и первой, относительно которой было выяснено ее взрывное происхождение, бы­ла Крабовидная туманность. Она находится в том ме­сте, где в 1054 г. вспыхнула необычайно яркая «звез­да-гостья». Расстояние до Крабовидной туманности из­вестно — оно составляет около 1700 пк. Следовательно, с учетом межзвездного поглощения света абсолютная величина Сверхновой была около —18.

За последние два-три десятилетия в Галактике най­дено и исследовано несколько десятков остатков Сверх­новых. Кроме «Краба», это системы тонковолокнистых туманностей в созвездиях Лебедя, Кассиопеи, Близне­цов, Парусов, Кормы и др. Наиболее интересные осо­бенности, отличающие эти туманности от обычных газо­пылевых облаков, следующие.

1. Расширение с большой скоростью. В «Крабе» ско­рость расширения равна 1200 км/с, у некоторых других остатков Сверхновых она доходит до 5000 и даже до 5500 км/с.

2. Наличие мощного радиоизлучения в широком диа­пазоне частот. Спектр его имеет весьма характерный вид, показывающий, что радиоизлучение имеет синхро­тронную природу (излучение релятивистских электронов в магнитном поле).

3. Во многих случаях остатки Сверхновых являются источниками рентгеновского излучения. В «Крабе» и не­скольких других (близких) остатках Сверхновых выяв­лен тепловой компонент рентгеновских лучей. (Выявле­ние осуществляется по наблюдаемому распределению энергии в спектре.) Это свидетельствует о существова­нии гигантского облака горячей плазмы, локализован­ного вокруг места взрыва. Температура плазмы у раз­ных облаков составляет от 2 млн. К до 60 млн. К.

4. На фотографиях выявляется характерная струк­тура — отдельные волокна или их системы, а радиона­блюдения с высоким разрешением, как правило, пока­зывают расширяющуюся с высокой скоростью оболочку.

5. В нескольких остатках Сверхновых («Краб», Па­руса X и др.) обнаружены пульсары. Учитывая, что пульсар можно видеть только при благоприятной ори­ентации его оси, вследствие чего не все существующие пульсары могут быть наблюдаемы, обнаружение пуль­саров в некоторых остатках Сверхновых является серь­езным свидетельством генетической связи нейтронных звезд и звезд, вспыхнувших как Сверхновые. Для пуль­сара в «Крабе» эта связь устанавливается более непо­средственно: его возраст, находимый по периоду и ско­рости роста периода, а также возраст самой Крабовидной туманности, определяемый по ее видимому расши­рению и теперешним размерам (оба оказываются око­ло 900 лет), равны времени, прошедшему после вспыш­ки 1054 г.).

Сверхновые, образно выражаясь, несут «большую на­грузку» в современной астрофизике и даже в других далеких от нее разделах естествознания. В частности, это касается следующих моментов.

1. Взрыв Сверхновой порождает мощную ударную волну в межзвездной среде. Распространяясь на десят­ки и сотни парсек, она «нагребает» перед собой вещест­во, в результате чего увеличивается его плотность. Вступая в пределы газопылевого комплекса, такая волна может ускорить процесс звездообразования.

2. Со Сверхновыми связывается образование ядер тяжелее железа. Детали процесса не разработаны, глав­ную роль, по-видимому, играют высокие температуры и давление в момент взрыва.

3. Происхождение по крайней мере части космиче­ских лучей (протонов, ядер различных элементов и элек­тронов, движущихся в галактическом пространстве с огромными кинетическими энергиями) также обуслов­лено вспышками Сверхновых.

4. Наконец, Сверхновые «небезразличны» и для жиз­ни на Земле. Близкая вспышка (на расстоянии порядка 10 пк) вызвала бы заметное увеличение (в несколько раз) естественного радиационного фона. А это может привести к серьезным генетическим последствиям для некоторых видов животных. В 1957 г. И. С. Шкловский и В. И. Красовский высказали гипотезу, что вымирание динозавров и других крупных рептилий в конце мело­вого периода как раз и было вызвано близкой вспышкой Сверхновой.

В силу изложенного Сверхновые привлекают при­стальное внимание астрономов, этим явлениям, как и остаткам взрывов, посвящена обширная литература.

Вернемся опять к взрыву Сверхновой и его энерге­тическому аспекту. За все время вспышки (длитель­ностью около года) в виде света и на других диапазонах электромагнитного излучения испускается порядка

1050 эрг. Солнце испускает такое количество энергии лишь за ~ 1 млрд. лет своей жизни. Наблюдения пока­зывают, что значительные массы газа (от 0,3 до 1,0 Мс) выбрасываются во время взрыва в разные стороны с ги­гантскими скоростями. Скорости выброса составляют от 7000 до 15000 км/с. Этот газ, пополняясь за счет меж­звездной среды и постепенно затормаживаясь ею, и по­рождает наблюдаемые остатки Сверхновых. Кинетиче­ская энергия выбрасываемых масс — порядка 1050—1051 эрг.

Значительной энергией, порядка 1048 эрг, обладают релятивистские электроны, обеспечивающие свечение ту­манности на всем протяжении ее спектра.

С учетом всего этого полная энергия взрыва Сверх­новой оценивается в 1052 эрг. Отметим, что Сверхновые бывают двух типов. К типу I относятся взрывы мало массивных звезд массой не более 1,1 — 1,2 Мс. Эволюция таких звезд идет медленно — это абсолютно очень ста­рые звезды. К типу II относятся взрывы массивных звезд массой 10—15 Мс. Их эволюция шла быстро, по­этому их можно назвать относительно старыми (т. е. уже сильно проэволюционировавшими), но абсолютно молодыми, имеющими возраст 107—108 лет. Важно, что оба типа Сверхновых прошли большой эволюционный путь.

По мнению многих ученых, вполне возможно, что энергетика взрыва Сверхновой или по крайней мере большая ее часть определяется гравитационной энер­гией, выделяющейся при сжатии звезды до размеров нейтронной. Вспомним для приближенной оценки фор­мулу, приведенную в сноске 2. Если R мало, то энерго­выделение огромно. Пусть, например, масса, равная солнечной, сожмется в шар радиусом 10 км. Это даст (б,67•10-8Х4•1066)/106~2•1053 эрг, а такой энергии хва­тит с избытком.

Сам взрыв Сверхновой схематически представляется таким. В центральной зоне звезды прекращаются все ядерные реакции — образуется железная сердцевина. Давление внешних слоев сжимает ее, внешние слои па­дают к центру — выделяется гравитационная энергия, которая переходит в тепло (температура, давление и плотность растут). Наконец, внутренняя сердцевина до­стигает размеров и плотности нейтронной звезды. Сжа­тие прекращается, остановленное силами упругости ней­тронного газа. Но образуется сильная ударная волна, которая срывает внешние слои, что и наблюдается на­ми как вспышка Сверхновой.