Остатки сверхновых — одни из самых визуально впечатляющих объектов в космосе. Астроном Кови Роуз предлагает нам уникальный взгляд на эти бурные и мощные небесные явления.
Конец звезды
Звёзды бесконечно сжимаются под действием гравитации. Это огромное давление вызывает реакцию синтеза, когда частицы водорода соединяются в более тяжёлые элементы. Энергия, производимая в результате этой реакции синтеза, выталкивается наружу, не позволяя звезде схлопнуться. Однако, когда у звезды заканчивается топливо для термоядерного двигателя, баланс нарушается, и всё становится интереснее.
Для звёзд, примерно равных по размеру нашему Солнцу, нет большого взрыва, когда они достигают своих последних лет. Вместо этого, когда у них заканчивается топливо, они мягко сжимаются в светящийся комок углерода и кислорода, называемый белым карликом. Белые карлики не коллапсируют полностью под действием силы тяжести, потому что электроны в оставшихся атомах достаточно сильны, чтобы сопротивляться. Это благодаря странному квантовому эффекту, называемому электронным давлением.
Белый карлик может произвести сверхновую, но только при очень специфических обстоятельствах, когда белый карлик вращается вокруг другой звезды. Когда белый карлик оказывается слишком близко к другой звезде — которая может быть даже другим белым карликом — его гравитационное влияние начнёт притягивать материал от другой звезды. Это нарушает баланс между гравитацией и кипящими электронами, что в конечном итоге приводит к взрыву белого карлика!
Звёзды большего размера заканчивают свою жизнь сверхновой, и обычно без какой-либо внешней помощи. Эти звёзды — более чем в 8 раз превышающие массу нашего Солнца — живут быстро и умирают молодыми. Они сжигают своё ядерное топливо быстрее, чем их меньшие собратья, с продолжительностью жизни в миллионы (а не миллиарды) лет.
Когда ядро становится железным, процесс синтеза останавливается. Без новой энергии, поддерживающей раздутость звезды, её слои внезапно коллапсируют. Прилив материала внутрь ударяет по оставшемуся железному ядру и производит ударную волну, которая движется наружу со скоростью, близкой к четверти скорости света. Эти, как их называют, сверхновые с коллапсом ядра обычно оставляют после себя плотно упакованные остатки в виде нейтронной звезды — или, в зависимости от их массы, чёрной дыры.
Настройка радио
Для обоих классов сверхновых звёздное вещество от взрыва выбрасывается в космос со скоростью тысяч или даже десятков тысяч километров в секунду. Двигаясь с такой скоростью, передний фронт сверхновой может замедляться десятки тысяч лет, обычно после распространения на несколько световых лет в пространстве (один световой год составляет около 9,5 триллионов километров) и собирая любой дополнительный материал, который встречается на пути. Это остаток сверхновой: межзвёздный пузырь, созданный следом одного из самых энергичных взрывов в природе.
Мощная ударная волна содержит быстро движущиеся электроны, которые взаимодействуют с близлежащим веществом удивительным образом. Пространство вокруг сверхновой заполнено намагниченным веществом, и из-за особой связи между электричеством и магнетизмом электроны искривляются, а не летят прямо. По мере изменения их путей электроны вынуждены замедляться. Часть их энергии преобразуется в свет — но не всегда в свет, который могут видеть наши глаза.
Видимый свет — это лишь одно из окон в полный спектр электромагнитных волн. Он имеет короткую длину волны в несколько сотен нанометров; для сравнения, средняя ширина одного человеческого волоса составляет почти 100 000 нанометров. Большая часть света в «пузырях» сверхновых имеет гораздо меньшую энергию, с длиной волны в десятки сантиметров или даже метров. Этот особый тип света называется радио.
Радиоастрономы создали именно те инструменты, которые нужны для обнаружения такого света, излучаемого сверхновыми. От начального взрыва до гигантских пузырькоподобных структур, которые они создают, когда взрыв движется в пространстве, радиотелескопы могут обнаруживать эти взрывные «пузыри» сверхновых, расширяющиеся и в конечном итоге замедляющиеся, становясь остатками.
Мы также видим, как яркость и энергия света меняются в зависимости от того, сколько материала ударная волна собирает по мере расширения, или от того, насколько сильно намагничено окружающее вещество. Изучая радиосвет, генерируемый остатками сверхновых, мы можем узнать, когда и как они образовались, а также какой тип плотных объектов оставил после себя взрыв.
Взгляд из Австралии
Радиоастрономия имеет долгую и непрерывную историю в Австралии. Мы были одной из первых стран в мире, использовавших радиоинструменты для изучения небесных объектов. Американский радиоинженер Карл Янски, которого считают основателем радиоастрономии, впервые обнаружил радиоизлучение в 1933 году из плотной области где-то в Млечном Пути. Однако в 1954 году астрономы CSIRO в Сиднее выяснили, что источник обнаружения Янского находился прямо в центре нашей галактики.
По мере развития области радиоастрономии астрономы и инженеры начали исследовать различные типы телескопов, которые можно было бы использовать для изучения различных объектов на небе. В зависимости от конструкции прибора мы можем использовать их для обнаружения точечных радиоисточников — например, центров далёких галактик — или диффузных облаков и нитей, таких как границы остатка сверхновой. А используя передовые методы обработки изображений и современные телескопы, такие как радиотелескоп ASKAP CSIRO, мы можем создавать изображения, которые демонстрируют красоту радионеба как в малом, так и в большом масштабе.
Исследование нашей галактики
Остатки сверхновых — это потрясающие маркеры взрывной истории нашей галактики. И, к счастью для астрономов, мы уже обнаружили сотни из них. Наблюдения за этой белой дорогой звёзд, которая тянется по небу, Млечным Путём, выявили пенистое море межзвёздных пузырей, созданных древними сверхновыми.
Формы остатков сверхновых отражают обстоятельства их формирования и их встречи с соседними объектами, включая космические облака газа и пыли. Некоторые из них кажутся симметричными, в то время как другие принимают искажённые формы, сформированные взаимодействием с близлежащим веществом или перекрытием с другими расширяющимися пузырями. Фактически, вся наша Солнечная система находится вблизи центра «сверхпузыря» — обширной полости, содержащей большинство звёзд, видимых невооружённым глазом. Учёные считают, что «сверхпузырь» был создан совокупностью взрывов множества сверхновых за миллионы лет.
Радиоастрономы предполагают, что в нашей галактике может скрываться до 1500 остатков сверхновых. Новые наблюдения с помощью высокочувствительных радиоинструментов, таких как ASKAP и будущие телескопы SKA, помогут нам обнаружить эти неуловимые межзвёздные пузыри и раскрыть больше деталей об энергетических процессах, сформировавших Млечный Путь.
Кови Роуз — кандидат наук по астрофизике в Сиднейском университете, изучает радиоизлучение близлежащих карликовых звёзд и далёких сверхновых.