4 года назад
Нету коментариев

Современная теория динамики и излучения остат­ков Сверхновых постепенно обрастает все более тонки­ми чертами реальной картины. Однако трудности тео­рии Сверхновых нарастают лавинообразно, когда от объяснения природы газовых остатков ученые перехо­дят к описанию самих вспышек сверхновых, связывая эти вспышки с гравитационным сжатием звезд.

Одна из главных трудностей связана с выяснением вопроса, каким образом в течение очень короткого про­межутка времени (сжатие звезды после потери ею ус­тойчивости длится доли секунды) в окружающее про­странство выделяется огромная энергия — до 1053 эрг? Даже с учетом того, что в результате сжатия ядра и взрыва оболочки образуется релятивистская звезда. И еще один вопрос: каким образом в течение коротко­го времени может выделиться энергия до 1051 эрг в ви­де световой вспышки и кинетической энергии оболочки?

Обе эти проблемы, конечно, связаны друг с другом, и есть другие проблемы, вытекающие из первых двух. Например, необходимо объяснить наблюдаемые формы кривых блеска сверхновых: почему вспышки сверхно­вых I и II типов отличаются, вспышки I типа так одно­родны, а II типа так разнообразны? Ни на один из этих вопросов пока нет четкого ответа. Чем более кон­кретно-точными становятся расчеты процесса сжатия и взрыва, чем больше факторов эти расчеты учитыва­ют, тем отчетливее проявляются трудности построения теории.

В упрощенном виде картина взрыва массивной звезды при вспышке сверхновой II типа выглядела так. Перед тем как потерять устойчивость, звезда состоит из железного ядра, окруженного оболочкой из легких элементов. В железном ядре уже не идут термоядер­ные реакции синтеза, но температура его сначала вы­сокая, со временем, естественно, уменьшается. В кон­це концов газовое давление, зависящее от температуры, падает настолько, что не в состоянии больше противодействовать силе тяжести: ядро начинает сжи­маться.

Но обязательно ли при этом образуется нейтронная звезда? Ведь при сжатии растет температура, а следо­вательно, и газовое давление. Оно может вновь уравно­весить силу тяжести, и сжатие остановится.

Этого не происходит, так как в железном ядре дей­ствует эффективный механизм, отбирающий ту энер­гию, которая выделяется при сжатии, и не позволяю­щий температуре повыситься настолько, чтобы остано­вить сжатие ядра. Таким механизмом является ядер­ная реакция распада ядер железа на альфа-частицы, которые, в свою очередь, распадаются на нейтроны и протоны. Эти реакции идут с поглощением большого количества энергии: на каждый 1 г железа — около 2•1018 эрг. И если масса железного ядра перед сжати­ем составляла 2 Мс, то в процессе распада ядер же­леза поглощалось бы до 4•1051 эрг.

Но и этого недостаточно для образования релятиви­стской звезды. Когда в процессе сжатия ядра все же­лезо «развалится» на протоны и нейтроны, гравитаци­онная энергия вновь станет переходить в тепловую, и температура резко возрастет. В ядре начнутся так на­зываемые реакции «урка»-процесса:

F_000

Возникающие в реакциях нейтрино и антинейтрино уносят из ядра оставшуюся огромную энергию, и этот мощный нейтринный импульс в принципе можно уло­вить на огромных расстояниях от места взрыва звез­ды. Последнее позволяет обнаружить сверхновую, даже если не видна оптическая вспышка, скрытая межзвезд­ными газовыми облаками.

В процесс гравитационного сжатия к центру звез­ды вовлекается не только ядро, но и мантия — лежа­щие выше слои легких элементов. Рост плотности и температуры в этих слоях приводит к тому, что там на­чинают идти быстрые реакции термоядерного синтеза и вещество мантии взрывается, разбрасывая оболочку звезды и вызывая вспышку излучения. Разогреву ве­щества мантии способствует и начавшееся на поздней стадии сжатия поглощение нейтрино, летящих сквозь мантию, звезды из ее сжимающегося ядра.

Для объяснения же кривой блеска сверхновой II типа, как оказывается, нужно предположить, что перёд взрывом звезда представляла собой красный сверхги­гант размером более 1014 см.

Эта модель вспышки сверхновой II типа, рассмот­ренная выше, была, предложена в 60-х годах. За про­шедшие годы были сделаны сотни новых модельных расчетов взрыва, и оказалось, что приведенная карти­на слишком уж идеальна. Например, ядро звезды пе­ред сжатием может состоять не только из железа, а и из смеси кислорода с углеродом. Такое ядро может быть окружено оболочкой большой массы — в несколь­ко масс Солнца. Взрывы таких звезд (это могут быть звезды с разными массами ядер и оболочек) могут сильно отличаться друг от друга, что, в общем, соот­ветствует разнообразию вспышек сверхновых II типа.

Однако теоретики пришли к единому мнению о том, что при взрыве звезды с ядром из кислорода и угле­рода ее вещество должно полностью разлететься, не ус­пев образовать релятивистскую звезду. Таким образом, феномен сверхновой II типа возникает, но нейтронная звезда не образуется — кроме газового остатка, на ме­сте взрыва ничего не остается.

А как же. нейтронные звезды-пульсары? Распреде­ление этих объектов в Галактике показывает, что их «родителями» были звезды с начальной большой мас­сой, которые и должны вспыхивать, как Сверхновые II типа. Иначе говоря, добившись качественного согла­сия с наблюдениями в описании самого феномена вспышки сверхновой II типа (энергетика взрыва, мас­са и кинетическая энергия оболочек, форма кривых блеска), теория пришла в противоречие с наблюдаемым фактом о связи сверхновых II типа с пульсарами.

Если же допустить, что пульсары связаны со вспыш­ками только I типа, то сразу же возникает еще одно противоречие. Сверхновые I типа в других галактиках проявляют тенденцию концентрироваться к централь­ным областям галактики — свойство, присущее мало­массивным звездам. Распределение таких звезд в Га­лактике непохоже на наблюдаемое распределение пуль­саров.

Вспышки сверхновых I типа всегда представляли со­бой камень преткновения для теоретиков. Ядро с мас­сой 1—2 Мс может при сжатии превратиться в нейтронную звезду, но причиной потери устойчивости в этом случае является не распад ядер железа, а начавшаяся ядерная реакция нейтронизации: захват протонами электронов с образованием нейтронов и излучением нейтрино. Нейтрино должны уносить из звезды практи­чески всю энергию сжатия, и, как показали расчеты последних лет, энергия, выделяемая в результате это­го взрыва (1049 эрг), не способна обеспечить массивную оболочку высокой скоростью. Но даже для того что­бы произошел хотя бы такой взрыв, нужно, чтобы плотность вещества в ядре звезды перед сжатием бы­ла больше 5•109 г/см3.

В недрах звезд столь большие плотности обычно не достигаются, и поэтому приходится вводить еще одно предположение; звезда должна заранее потерять свою протяженную оболочку. Однако вырожденное ядро с большой плотностью вещества, не имеющее оболоч­ки, — это, по сути дела, белый карлик. Так теория как бы приходит к заключению, что взрыв сверхновой I ти­па связан с сжатием белого карлика. Однако и в этом случае происходит не вспышка Сверхновой — ведь вы­деляемая при этом энергия в десятки раз меньше наб­людаемой.

Таким образом, приходится решать сразу две проб­лемы: почему сжимается белый карлик и откуда бе­рется недостающая энергия для взрыва?

Обе проблемы вполне разрешимы, если предполо­жить, что белый карлик, находящийся на самом пре­деле устойчивости, претерпевает взрыв. Холодный бе­лый карлик может потерять устойчивость, когда его масса хоть ненамного превышает 1,2 Мс. Следователь­но, феномен сверхновой I типа могут создавать взры­вы звезд, имеющих практически одинаковые массы, об­ладающих одинаковым химическим составом и струк­турными свойствами. Отсюда и единообразие таких вспышек.

Казалось бы, если в процессе эволюции белый кар­лик уже образовался, то у него нет причин терять ус­тойчивость. Однако в действительности существуют по крайней мере две причины этого. Первая связана с тем, что температура белого карлика в момент образо­вания достигает нескольких десятков тысяч градусов (ядра планетарных туманностей — будущие белые кар­лики — нагреты до 100 000 К). Между тем предел устойчивости у горячего белого карлика чуть выше, чем у холодного. В холодном белом карлике силе тяже­сти противостоит лишь давление вырожденного газа, а в горячем — еще и обычное газовое давление нагретой плазмы.

Представим себе такую ситуацию. В результате эво­люции звезды возникает белый карлик с массой, на до­ли процента превышающей чандрасекхаровский пре­дел, но все же недостаточной для того, чтобы горячий белый карлик потерял устойчивость. Количество таких белых карликов в Галактике точно оценить практиче­ски невозможно. Очевидно, однако, что таких звезд очень немного среди всех образующихся белых карли­ков. Горячий белый карлик с предполагаемой массой постепенно будет остывать, и наконец наступит момент, когда избыток газового давления станет пренебрежимо мал. Белый карлик теряет устойчивость и сжимается. В этот момент в принципе может быть сброшена обо­лочка небольшой массы (~0,1 Мс), но, как показали расчеты, энергия (~1049 эрг) совершенно недостаточна для объяснения феномена сверхновой I типа.

Есть и еще одна причина, по которой может терять устойчивость белый карлик — это захват им вещест­ва, из окружающего пространства. Обычный белый, кар­лик с массой меньше предельной может захватывать (аккрецировать) вещество и потерять устойчивость в тот момент, когда его масса возрастет до 1,2 Мс. Та­кой процесс может происходить в тесной двойной си­стеме, где одна из звезд (обычная) вещество теряет, а вторая (белый карлик) часть этого вещества захва­тывает. Накопив достаточно вещества и потеряв устой­чивость, белый карлик сжимается, при этом, как и в первом случае, сбросится оболочка, обладающая не­большой массой (около 0,1 Мс) и небольшой энергией (около 1049 эрг), также недостаточной для объяснения феномена сверхновой I типа.

Существование последнего механизма сталкивает­ся и с другими трудностями. Известно, что новые и повторные новые звезды — это двойные системы с красным и белым карликами. Причиной вспышек новых служит термоядерный взрыв на поверхности белого карлика. Взрывается богатое водородом вещество, ко­торое перетекло на белый карлик с красного. Поэтому прежде чем накопить вещество и претерпеть сжатие, белый карлик в тесной двойной системе в принципе должен некоторое время проявлять себя как новая или повторная новая звезда. Когда вспыхивает новая, часть оболочки белого карлика (с массой до 10-4 Мс) выбра­сывается в пространство. Вполне возможно, что выбра­сывается все вещество, что успело накопиться между вспышками. Тогда никакого накопления массы в бе­лом карлике произойти не может.

Это обстоятельство пока нельзя проверить наблю­дениями, но есть еще и второй довод, который также свидетельствует против такого механизма. Распределе­ние в Галактике Новых отличается от распределения Сверхновых I типа: Новые очень сильно концентриру­ются к галактическому центру. Аналогично распреде­лены новые в галактике М31. Эту трудность теорети­кам еще предстоит преодолеть или им придется вооб­ще отказаться от объяснения взрывов сверхновых I типа с помощью механизма захвата вещества белым карликом в тесной двойной системе.

Однако вернемся к основной трудности — энергети­ческой. Взрыв оболочки белого карлика, как мы зна­ем, не дает мгновенного выхода энергии, большей 1049 эрг. Однако анализ кривых блеска сверхновых I типа показывает, что в течение многих месяцев в глу­бине расширяющейся газовой оболочки продолжается какая-то активность, питающая оболочку энергией. Воз­можно, например, что там происходит распад радиоак­тивных элементов, образовавшихся при взрыве. Тогда можно предположить, что вся кинетическая энергия оболочки, достигающая у сверхновых I типа 5•1050 эрг, сообщается ей не сразу в момент взрыва, а лишь по­степенно — в процессе расширения.

Допустим, что в момент взрыва оболочка белого карлика приобретает лишь скорость около 1000 км/с, достаточную для того, чтобы вещество не упало на сжимающееся ядро. Но тогда для ускорения оболоч­ки нужно привлечь какие-то иные физические причины, отличные от термоядерного взрыва. Например, можно предположить, что энергия расширения оболочки воз­никает за счет энергии вращения образующейся ней­тронной звезды (эта энергия может достигать 1052 эрг). Энергия вращения может передаваться оболочке при помощи магнитного поля, которое связывает звезду и оболочку и действует как своеобразный «приводной ремень». Такой механизм «постепенного» взрыва называ­ется магниторотационным.

Как в этой модели протекает вспышка сверхно­вой?

При сжатии ядра тяжелого белого карлика оболоч­ка выбрасывается с небольшой скоростью — до 1000 км/с. Сжавшееся ядро (нейтронная звезда) вра­щается намного быстрее оболочки. Но звезда связана с оболочкой силовыми линиями магнитного поля, и при несинхронном вращении эти силовые линии натя­гиваются, стремясь затормозить вращение звезды и ускорить вращение оболочки. В результате оболочка сможет приобрести энергию, достаточную для сброса с большой скоростью. Весь процесс «перекачки» может продолжаться несколько десятков суток, и наблюдае­мые параметры кривых блеска вполне это допускают.

Интересно, что для сброса оболочки магниторота­ционным механизмом ядерный взрыв вовсе не обяза­телен. Ведь главное, чтобы при сжатии оболочка ка­ким-то образом успела отделиться от ядра. Скорость же, которую она может получить в результате ядерно­го взрыва, недостаточна для описания сверхновой. Ме­ханизм, который способен отделить оболочку от яд­ра, — тот же эффект вращения. Дело в том, что если достаточно быстро вращающуюся нормальную звезду сжать до размеров 107 см, то наступит так называе­мая ротационная неустойчивость — на поверхности сжимающегося ядра центробежные силы уравновеши­вают тяготение и даже могут превзойти его. И тогда верхние слои перестанут сжиматься, а ядро продолжит сжиматься, оболочка же отделится, поддерживаемая центробежными силами. Ситуация, вполне достаточная для начала действия магниторотационного механиз­ма. Механизм этот действует довольно медленно — проходит несколько десятков суток, прежде чем в оболочке накапливается энергия, достаточная для бы­строго расширения.

Расчет магниторотационного взрыва чрезвычайно труден, а первые приближенные результаты показыва­ют, что для достаточной эффективности перекачки энергии от звезды к оболочке необходимы особые ус­ловия — быстрое вращение белого карлика перед сжа­тием и недипольная конфигурация магнитного поля. Если, например, нейтронная звезда представляет собой обычный магнитный диполь, то приходится задать не­реально большое значение напряженности магнитного доля на ее поверхности — более 1017 Гс, что в сотни тысяч раз больше, чем магнитные поля пульсаров.

Трудности теоретического описания вспышек сверх­новых очень велики. Для построения непротиворечивой модели этого феномена потребуется еще немало вре­мени. Нужно учесть и перемешивание вещества в нед­рах звезды, и ее вращение, а возможно, другие харак­теристики, о влиянии которых на процесс взрыва нам пока и вовсе ничего не известно.