Антон Первушин - Космос. Прошлое, настоящее, будущее

Гипергиганты – наиболее массивные среди звезд: их массы превышают 25–30 M ⊙и доходят до 100–150 M ⊙. При массах более 100 M ⊙давление выходящего из недр излучения столь велико, что это приводит к крупномасштабным колебаниям атмосферы, чрезмерной потере массы и формированию обширных околозвездных оболочек. Для этих звезд характерна переменность блеска и очень интенсивный звездный ветер. Например, у звезды 6 Cas при скорости ветра около 200 км/с поток газа достигает 10 -6 M ⊙/год. А у звезды IRC+10420 скорость ветра 50 км/с при потоке 5∙10 -4 M ⊙/год. Столь плотный и непрозрачный звездный ветер может приводить к появлению холодной «псевдофотосферы»; при этом довольно горячая звезда может выглядеть как красный сверхгигант с весьма холодной поверхностью. Такие звезды в шутку называют «самозванцами диаграммы Герцшпрунга – Рассела». Их оптическая переменность, вероятно, в основном вызвана неоднородностью звездного ветра. В случае особо сильного потока вещества звезда окружает себя почти неподвижной и непрозрачной газово-пылевой оболочкой, как у звезды h Киля (h Car).

Полное время жизни столь массивных звезд не превышает 3–5 млн лет. Те звезды, которые мы видим на стадии гипергиганта, уже покинули главную последовательность; до конца эволюции им остается порядка 10 5лет, а затем они должны взорваться как сверхновые. Согласно теории, после этого от них остается только черная дыра. Впрочем, нужно признать, что заключительные этапы эволюции звезд до сих пор представляют проблему для теоретической астрофизики. Именно этим исследованиям сегодня посвящены усилия многих ученых.

Относительно спокойная стадия термоядерной эволюции звезды не может длиться вечно: энергия выделяется, пока водород превращается в гелий, гелий – в углерод, затем в азот, кислород… Но когда состав вещества в ядре звезды приближается к группе железа, выделение энергии прекращается. Можно сказать, что железо – это «зола» термоядерного «горения». С этого момента источником энергии звезды вновь становится ее гравитационное сжатие. Но старая звезда неоднородна: внутри у нее плотное ядро из тяжелых химических элементов (гелий, …кислород, …железо), а снаружи в основном легкий водород. Поэтому ядро сжимается быстро, при этом нагревается само и нагревает оболочку, которая от этого расширяется и частично покидает звезду.

Судьба сжимающегося звездного ядра зависит от его массы. Если масса не более полутора солнечных, то сжатие остановится на стадии белого карлика, когда взаимное отталкивание электронов, связанное с их квантовой природой, уравновесит силу гравитации. Размер белого карлика при этом окажется близок к размеру Земли. Отметим, что взаимное отталкивание электронов в плотном веществе белого карлика обусловлено отнюдь не их отрицательным электрическим зарядом (который уравновешивается положительным зарядом протонов), а квантово-механическим эффектом «вырождения» электронного газа, который при большой плотности начинает сопротивляться сжатию в силу принципа запрета Паули. Этот принцип обычно формулируют так: в пределах одной квантовой системы, в данном квантовом состоянии, может находиться только один фермион (т. е. частица с полуцелым спином), а состояние другого фермиона должно отличаться хотя бы одним квантовым числом (например, положением в пространстве или импульсом). Электроны – это фермионы, поэтому чем ближе частицы друг к другу, тем активнее они движутся, увеличивая давление вещества.

Если масса звездного ядра больше полутора солнечных, то электронам не справиться с гравитацией, и сжатие будет происходить до тех пор, пока протоны и электроны не превратятся в нейтроны, и тогда уже давление, вызванное взаимным отталкиванием нейтронов (они ведь тоже фермионы!), может остановить сжатие. Такие объекты называют нейтронными звездами, хотя в прямом смысле слова никакие они не звезды, а просто сверхплотные тела размером в несколько десятков километров, в основном состоящие из вырожденного нейтронного газа.

Но если масса звездного ядра была более трех масс Солнца, то его сжатие не остановится даже на стадии нейтронной звезды, а будет происходить до тех пор, пока объект не достигнет своего гравитационного радиуса, т. е. пока он не станет черной дырой. Из-за чрезвычайно малого размера – всего несколько километров – и отсутствия физической поверхности черные дыры пока не поддаются прямому изучению, но в их существовании астрофизики уверены. Зато белые карлики и нейтронные звезды изучаются очень активно, поскольку ярко себя проявляют и дают бесценный материал для физики. Никогда в земных лабораториях мы не сможем получить и изучить вещество с такой плотностью, как в недрах белых карликов (десятки тонн в кубическом сантиметре!) или нейтронных звезд (десятки миллионов тонн в кубическом сантиметре!!!). Только в космосе мы встречаем такое плотное вещество и, даже не касаясь его, дистанционно много можем узнать о его природе.

С вырожденными телами, т. е. с белыми карликами и нейтронными звездами, а также с черными дырами связаны самые грандиозные явления природы – взрывы новых и сверхновых, гамма-всплески и др.

Новыми называют звезды, неожиданно, всего за несколько часов увеличивающие свой блеск в тысячи и даже миллионы раз (в среднем на 12 m ), а затем в течение нескольких недель тускнеющие и возвращающиеся к своему исходному блеску. Название «новая» (лат. nova ) отражает старинное представление о том, что на небе в этот момент возникает не существовавшая ранее звезда. В действительности явление новой связано со звездами большого возраста, практически закончившими свою эволюцию. Это явление возникает в тесных двойных системах, где один из компонентов – белый карлик. На определенном этапе эволюции таких систем вещество второго компонента – нормальной звезды – может начать перетекать на соседнюю вырожденную звезду. Когда на поверхности белого карлика накапливается критическая масса вещества, происходит термоядерный взрыв, срывающий со звезды оболочку и увеличивающий ее светимость в тысячи раз. По мере накопления новой порции газа взрыв повторяется. Уже наблюдались неоднократные вспышки некоторых новых; их называют повторными новыми.

Сверхновыми называют звезды, блеск которых при вспышке в течение нескольких суток увеличивается на десятки звездных величин (т. е. в миллионы и даже миллиарды раз), а затем постепенно спадает в течение нескольких месяцев или лет. Первоначально все звезды, блеск которых внезапно увеличивался в сотни и более раз, называли «новыми» (nova), поскольку они появлялись в тех точках на небе, где ранее не было заметно звезд. Но когда была установлена внегалактическая природа некоторых туманностей, названных позже галактиками, стало ясно, что вспыхивающие в них звезды значительно превосходят обычные новые. Для них астрономы Фриц Цвикки (1898–1974) и Вальтер Бааде (1893–1960) предложили название «сверхновые звезды» (supernova). Обычно к сверхновым относят вспышки с мощностью оптического излучения более 10 34Вт. Максимальная оптическая светимость, которой сверхновая достигает в ходе вспышки, лежит в интервале от -13 m до -22 m абсолютной звездной величины, т. е. от 10 млн до 30 млрд светимостей Солнца. Существует определенный класс сверхновых (тип Ia), имеющих в максимуме блеска почти одинаковую абсолютную звездную величину, равную -19,4 m ± 0,4 m , что позволяет использовать каждую такую вспышку как «стандартную свечу» для определения расстояния до тех галактик, где наблюдались такие вспышки.