Новые слова о сверхновых звездах.
Коллеги, я вас просил морально подготовиться?
Я не зря это делал!
Кому интересно почитать научную почти-фантастику, добро пожаловать под кат!
18 сентября 2006.
"Как взорвать звезду?"
Это не так просто, как вы думаете. Вспышки сверхновых лишь недавно удалось описать моделью.
Вольфганг Гиллебрандт, Ганс-Томас Янка, Эвальд Мюллер.
11 ноября 1572 года датский астроном и естествоиспытатель, потомок дворянского рода, Тихо Браге увидел в созвездии Кассиопеи новую, чрезвычайно яркую - ярче Юпитера - звезду. Можно сказать, что этот момент был началом современной астрономии - момент, опровергший тысячелетнюю веру в постоянство и неизменность звездного неба.
Сам факт возникновения "Новой звезды" не стал последним ее подарком астрономам. Около 400 лет спустя ученые поняли, что такая звезда почти мгновенно затмевает миллиарды рядовых светил, и поэтому вспышка должна сопровождаться эффектным взрывом. В 1934 году Фриц Цвицкий, сотрудник Калифорнийского Технологического Института, назвал такие явления "сверхновыми". Кроме того, что они являются одними из самых заметных событий, известных науке; сверхновые играют особую роль в строении Вселенной, и поэтому состоят на особом учете у астрономов. Сверхновые разбрасывают по Вселенной тяжелые ядра, сверхновые сказываются на формировании и развитии галактик, сверхновые служат метками разлета вещества, сверхновые…
Цвицкий вместе со своим коллегой Вальтером Бааде предположили, что взрыв получает энергию за счет гравитационного взаимодействия. Вспышка происходит в тот момент, когда плотность ядра обычной звезды доходит до плотности атомного ядра. Схлопывающееся вещество накапливает достаточно потенциальной гравитационной энергии, чтобы сдуть звездную оболочку.
Другой подход к проблеме был предложен в 1960 году Фрэдом Хойлем (Кембриджский университет) и Вилли Фаулером (Калифорнийский Технологический Институт). По их версии вспышка сверхновой - это термоядерная бомба космического масштаба. Водород и гелий - горючее термоядерного синтеза рядовой звезды - постепенно выгорают в углерод и кислород. Синтез, проходящий в этой среде, высвобождает колоссальное количество энергии, а продуктом реакции становится радиоактивный никель-56 - именно его постепенный распад объясняет многомесячное послесвечение сверхновой.
Было доказано, что обе эти идеи - верны. В спектрах одних сверхновых не было обнаружено линий водорода (обозначено как тип I), большая часть излучения (тип Ia) приходится на термоядерный взрыв, остальное же (типы Ib и Ic) является результатом коллапса звезды, сбросившей водородную оболочку. Другие же сверхновые (тип II) содержат водород, и, по всей видимости, образуются только за счет схлопывания ядра. Оба механизма разрывают звезду на газообразную, расширяющуюся в пустоту оболочку, и гравитационно коллапсирующее ядро, становящееся сверхплотной нейтронной звездой - а, в некоторых случаях, и черной дырой. Наблюдения за сверхновой 1987А (тип II) подтвердили именно эту теоретическую картину. [см. "The Great Supernova of 1987," by Stan Woosley and Tom Weaver; Scientific American, August 1989].
Однако даже после этого объяснение вспышки сверхновой является серьезной проблемой для астрофизиков. Компьютерное моделирование с большим трудом может воспроизводить сами взрывы, не говоря уже об их особенностях. Взорвать звезду на удивление сложно. Она саморегулируется, оставаясь стабильной миллиарды лет. Даже в остывших или остывающих звездах идут процессы, из-за которых светило скорее выгорает дотла, чем взрывается. Для описания этих явлений были использованы многомерные модели, находящиеся на грани (а иногда - и за гранью) вычислительных мощностей. Лишь совсем недавно ситуация несколько улучшилась.
Нелегко взрывать звезды…
Как ни странно, звезды, взрывающиеся по типу Ia, обычно являются образцами стабильности - белыми карликами. Белый карлик - это выгоревшая солнцеподобная звезда. Она почти не изменяет своего состояния - только медленно остывает. Но Хойль и Фаулер доказали, что белый карлик, быстро вращающийся вокруг другой звезды, может стягивать с нее вещество, увеличивать свою массу и все более сжиматься, пока не достигнет условий, обеспечивающих взрывной синтез углерода и кислорода.
Взрывной синтез резко отличается от обычного режима горения звезды. Устойчивая реакция идет по всему объему звезды, оставляя большие объемы продуктов (в основном, никеля). Но в любой момент в очень маленьком объеме (чаще всего - на поверхности выгоревших пузырей, плавающих в глубинных областях белого карлика) может начаться реакция синтеза. Из-за малой плотности эти пузыри стремятся всплыть к поверхности звезды - почти так же, как и пузыри пара в кипящей воде.
Но в этой картине есть один недостаток - термоядерная реакция в таких условиях должна потухнуть. Выделенная энергия вызовет расширение звезды, расширяясь, она остынет, а это остановит реакцию. В отличие от бомбы, у звезды нет стенок, которые ее ограничивают и предотвращают подобное самогашение.
Вместе с этой теоретической неприятностью возникает и чисто техническая. Никакая лаборатория не сможет воспроизвести условия вспышки. Наблюдения сверхновых зависят только от самих сверхновых. Самое лучшее, что можно сделать - смоделировать процесс на компьютере. Задача серьезная. На данный момент самая точная модель, рассчитанная нашей группой на суперкомпьютере IBM p690, моделирует звезду при помощи сетки с ребром в 1024 элемента, каждый из которых в реальности имел бы размеры порядка нескольких километров. Каждый шаг счета требует 1020 арифметических операций, но такая сложная задача рассчитывается компьютером со скоростью примерно 1011 операция в секунду. И мы получаем почти 60 лет машинного времени! Трюки, упрощающие счет в других областях науки, здесь неприменимы - сверхновая слишком асимметрична, условия в ней экстремальны, диапазон временных и пространственных масштабов велик… Физика элементарных частиц, ядерная физика, гидродинамика, теория относительности сами по себе непросты. Эмуляция сверхновой объединяет их все в одной задаче.
"Гюльчатай, открой личико!"
Решение пришло оттуда, откуда его не ждали - из инженерно-физических проблем проектирования двигателей. Смешивание и детонация бензина и кислорода в цилиндре порождает турбулентность. Турбулентность же увеличивает поверхность пламени, растягивая и разрывая его. Потребление топлива, пропорциональное интенсивности сгорания, растет…
Звезда тоже турбулентна. При быстром движении газа на дистанциях звездного порядка даже небольшое возмущение мгновенно переводит режим течения из ламинарного в турбулентный. В сверхновой всплывание горячих пузырей должно настолько перемешать плазму, что возникшая термоядерная реакция распространяется быстрее, чем звезда может релаксировать.
В правильно работающем двигателе внутреннего сгорания фронт пламени распространяется на дозвуковой скорости, ограниченной скоростью проникновения тепла сквозь горючую смесь - это обычное горение. В двигателе, подверженном вибрациям и ударам, пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью на фронте ударной волны. Эта же волна перемешивает и уплотняет смесь - возникает детонация.
Этими же двумя способами может распространяться термоядерная реакция. Детонация, как более активный процесс, выжигает звезду гораздо интенсивнее - в результате остаются только тяжелые элементы, такие, как никель и железо. Однако астрономы обнаружили в спектрах излучения и линии кремния, серы, кальция, многих других элементов. Это значит, что вспышка хотя бы на начальном этапе проходит как горение.
В последние годы процессы термоядерного горения были полностью смоделированы не только нашей группой, но и Калифорнийским университетом, его отделением в Санта Круз и Чикагским университетом. Разработанные для этого машинные коды теперь используются для моделирования химических взрывов и даже для предсказания погоды. Турбулентность - трехмерный процесс, в турбулентном потоке кинетическая энергия переходит с масштабных течений в малые вихри, где и рассеивается в виде тепла. Другими словами, течение становится гораздо более раздробленным. Пока трехмерное моделирование не стало решаемой задачей - и это описание не было доступно.
Результат полноразмерного моделирования сверхновой показал множество грибообразных структур - смятые и разрушенные турбулентностью горячие пузыри, всплывавшие в слоистой жидкости. Ускорение реакции синтеза, вызванное турбулентным следом, вызывало разрушение звезды всего за несколько секунд. Осколки разлетались со скоростью примерно 10000 километров в секунду - хорошее соответствие с результатами наблюдений.
Решение есть - но множество вопросов еще открыто. Нет никакой ясности в вопросе - что же запускает начальную реакцию. Еще одна проблема - горение должно выбросить немалую часть звезды в неизменном состоянии, однако наблюдения говорят - лишь малая часть остается нетронутой. Значит, взрыв не может быть чистым горением - должна быть детонация. Теоретики так до сих пор и не смогли объяснить, как оба процесса могут протекать одновременно. Все еще не определен весь возможный спектр условий вспышки. Вполне возможно, что захват вещества белым карликом - не единственная возможность получить сверхновую типа Ia. Возможно, вспышка возможна и при столкновении двух звезд подобного типа.
Гравитационная могила
Другой важный тип сверхновой, возникающий при гравитационном коллапсе звездного ядра, еще сложнее объяснить. Наблюдения показали гораздо больше возможных вариантов вспышки, чем при термоядерном взрыве. В некоторых сверхновых этого типа есть водород, в некоторых - нет; распространение взрыва иногда идет в плотное ядро, иногда - в ближний космос; в отдельных случаях в спектрах виден никель - в других его нет. Спектр энергий и скоростей продуктов взрыва аномально велик. После наиболее сильных вспышек остается мощное и длительное после-свечение в гамма-диапазоне. [см. "The Brightest Explosions in the Universe,'' by Neil Gehrels, Luigi Piro and Peter J. T. Leonard; Scientific American, December 2002]. Эта двоякость - только одна из множества старых загадок. Сверхновые со схлопывающимся ядром - лучшие кандидаты на роль источника наиболее тяжелых ядер, таких, как золото, свинец, торий и уран - эти элементы могут синтезироваться только в особых условиях. Но никто не знает, возникают ли такие условия при коллапсе ядра звезды.
Хотя основная идея схлопывания ядра звучит очень просто - коллапс высвобождает энергию гравитационного взаимодействия, которая переходит во взрыв материала - детали уловить очень сложно. В конце своей жизни звезда с массой, в десять и более раз превышающей солнечную, напоминает луковицу - каждый слой которой содержит все более тяжелые элементы. Ядро состоит большей частью из железа, его целостность удерживается силами отталкивания между электронами. Но в определенный момент вес звезды превышает силу взаимодействия электронов. Они вдавливаются в атомное ядро, где реагируют с протонами, давая в результате нейтрон и электронное нейтрино. Нейтроны и оставшиеся протоны становятся упакованными все более и более плотно, пока не начинают работать внутриядерные силы, останавливающие коллапс.
Если следовать этой точке зрения, необходимо предположить, что схлопывание каким-то образом разворачивается и переходит в интенсивное расширение. Вещество, упавшее в гравитационную яму, вылетает обратно. Согласно классической теории этот процесс осуществляется ударной волной, возникающей при столкновении движущихся со сверхзвуковой скоростью верхних слоев звезды с затормозившее ядро. Ударная волна двигается наружу, сжимая и разогревая среду распространения.
Проблема в том, что волна очень быстро рассеивает свою энергию и теряет скорость. Так как же звезда может взорваться?
Ключ к ответу лежит в революционных работах Стирлинга Колгейта и Ричарда Уайта, написанных еще в 1966 году. Их теория была подтверждена современным компьютерным моделированием, проведенным Джимом Вилсоном в начале 1980х годов. (Все три работы были проведены в институтах, впоследствии ставших Ливерморской лабораторией).
Они предположили, что энергия из ядра распространяется не только в виде ударной волны. Возможно, в ход идут возникшие при коллапсе нейтрино. Идея кажется, как минимум, странной - нейтрино известны своим нежеланием вступать в любые реакции. Они так слабо взаимодействуют с частицами, что даже обнаружение нейтрино - непростая задача.
Но в коллапсирующей звезде у них есть достаточно энергии, чтобы инициировать взрыв, а в сверхплотной среде вероятность связать нейтрино гораздо выше. Они разогревают слой вокруг внутренней части ядра сверхновой, поднимая давление за фронтом ударной волны.
Слово ракетчикам
Может ли это быть толчком, оживляющим ударную волну, заставляющим ее выплескиваться наружу и разрастаться в полномасштабный взрыв? Согласно результатам компьютерного моделирования - нет. Хоть газ и поглощает нейтрино, параллельно идет процесс их испускания, и эмуляция показывает, что потерь будет слишком много - взрыв затухнет. Впрочем, в этих моделях было существенное упрощение - считалось, что звезда сферически симметрична. То есть, они упускали из внимания критические многомерные явления, такие, как конвекция, вращение. Но они существенны - наблюдаемые осколки всегда разлетались асимметрично и асферично.
Казалось бы - решение вопроса о сверхновых. Многомерные эмуляции показали, что в плазме околоядерного слоя, подогреваемого нейтрино, развиваются плавучие пузыри и грибообразные структуры. Конвекция выносит их энергию в ударную волну, выдавливая ее наружу и запуская вспышку.
В этой улучшенной картине есть очень интересные особенности. Пока взрыв развивается относительно медленно, пузыри горячей расширяющейся плазмы, разделенные нисходящими потоками холодного вещества, успевают слиться воедино. В результате течение состоит из нескольких - а иногда и из одного - всплывающих пузырей, окруженных нисходящими течениями. Как следствие - последовательность нецентральных взрывов сводит на нет всю симметричность исходной звезды. Асимметрия растет, если тормозящая ударная волна деформируется в сильно выгнутый фронт. Если же этот фронт проходит сквозь сильно слоистую исходную структуру - возникают дополнительные нестабильности. В результате все синтезированные в звезде элементы после взрыва оказываются перемешанными друг с другом.
Раз осколки звезды разлетаются преимущественно в одном направлении, образовавшаяся нейтронная звезда должна получить импульс, направленный в противоположную сторону. Нашей группой были рассчитаны соответствующие скорости, составившие порядка 1000 километров в секунду - это соответствует большинству наблюдаемых нейтронных звезд. Но некоторые из них двигаются медленнее - значит, пузыри в них не имели времени на слияние. Мы получили стройную картину, в которой из единственного исходного процесса вытекает весь спектр наблюдаемых явлений.
Но, несмотря на то, прорыв в деле моделирования сверхновых, ни одна из существующих эмуляций до сих пор не достигла того уровня точности, который смог бы полностью описать вспышку сверхновой во всем ее блеске. Все модели используют упрощения и аппроксимации. Полное же описание должно оперировать семью обобщенными координатами; а именно тремя пространственными и временной - для вещества звезды, энергетической и двумя импульсными - для нейтрино. Более того, желательно рассмотреть все три типа ("аромата") нейтрино.
Но дело упирается в одну серьезную проблему - во всем мире нет ни такого оборудования, ни такого программного обеспечения, которое справилось бы с поставленной задачей.
Одна из ближайших целей - выяснить, может ли взрыв запускаться различными способами. Скажем, энергия вращения формирующейся нейтронной звезды может перекачиваться магнитным полем в энергию ударной волны. Магнитное поле может и выдавить вещество вдоль оси вращения в два полярных факела. Этими эффектами можно объяснить наиболее сильные взрывы. Вспышки в гамма-диапазоне, в частности, говорят о том, что эти факелы движутся почти со скоростью света. После такого ядро может схлопнуться даже не в нейтронную звезду, а в черную дыру.
Пока теоретики продвигаются в своих изысканиях, наблюдатели тоже не стоят на месте, забираясь все дальше в неисследованные области. Идут попытки детектировать не только электромагнитные возмущения, но и нейтронные вспышки, и гравитационные волны. Коллапсирующее ядро звезды, его возможное схождение в черную дыру не только выплескивает мощный поток нейтрино, но и сминает метрику пространства-времени. А эти сигналы, в отличие от световых, не экранируются верхними слоями звезд, а вылетают прямо из бездны катаклизма.
Хочется верить, эта новая информация принесет новые открытия… Открытия о том, как погибают звезды.
© 1996-2006 Scientific American, Inc. Все права защищены.
Перепечатывание всей статьи или ее частей без разрешения редакции запрещено. 8-)
А уж если кто-нибудь ткнет пальцем в глюки - буду очень сильно благодарен...
Ps. Оригинал: http://www.sciam.com/print_version.cfm?articleID=000160CC-A71B-150E-A26183414B7F0000
Я не зря это делал!
Кому интересно почитать научную почти-фантастику, добро пожаловать под кат!
18 сентября 2006.
"Как взорвать звезду?"
Это не так просто, как вы думаете. Вспышки сверхновых лишь недавно удалось описать моделью.
Вольфганг Гиллебрандт, Ганс-Томас Янка, Эвальд Мюллер.
11 ноября 1572 года датский астроном и естествоиспытатель, потомок дворянского рода, Тихо Браге увидел в созвездии Кассиопеи новую, чрезвычайно яркую - ярче Юпитера - звезду. Можно сказать, что этот момент был началом современной астрономии - момент, опровергший тысячелетнюю веру в постоянство и неизменность звездного неба.
Сам факт возникновения "Новой звезды" не стал последним ее подарком астрономам. Около 400 лет спустя ученые поняли, что такая звезда почти мгновенно затмевает миллиарды рядовых светил, и поэтому вспышка должна сопровождаться эффектным взрывом. В 1934 году Фриц Цвицкий, сотрудник Калифорнийского Технологического Института, назвал такие явления "сверхновыми". Кроме того, что они являются одними из самых заметных событий, известных науке; сверхновые играют особую роль в строении Вселенной, и поэтому состоят на особом учете у астрономов. Сверхновые разбрасывают по Вселенной тяжелые ядра, сверхновые сказываются на формировании и развитии галактик, сверхновые служат метками разлета вещества, сверхновые…
Цвицкий вместе со своим коллегой Вальтером Бааде предположили, что взрыв получает энергию за счет гравитационного взаимодействия. Вспышка происходит в тот момент, когда плотность ядра обычной звезды доходит до плотности атомного ядра. Схлопывающееся вещество накапливает достаточно потенциальной гравитационной энергии, чтобы сдуть звездную оболочку.
Другой подход к проблеме был предложен в 1960 году Фрэдом Хойлем (Кембриджский университет) и Вилли Фаулером (Калифорнийский Технологический Институт). По их версии вспышка сверхновой - это термоядерная бомба космического масштаба. Водород и гелий - горючее термоядерного синтеза рядовой звезды - постепенно выгорают в углерод и кислород. Синтез, проходящий в этой среде, высвобождает колоссальное количество энергии, а продуктом реакции становится радиоактивный никель-56 - именно его постепенный распад объясняет многомесячное послесвечение сверхновой.
Было доказано, что обе эти идеи - верны. В спектрах одних сверхновых не было обнаружено линий водорода (обозначено как тип I), большая часть излучения (тип Ia) приходится на термоядерный взрыв, остальное же (типы Ib и Ic) является результатом коллапса звезды, сбросившей водородную оболочку. Другие же сверхновые (тип II) содержат водород, и, по всей видимости, образуются только за счет схлопывания ядра. Оба механизма разрывают звезду на газообразную, расширяющуюся в пустоту оболочку, и гравитационно коллапсирующее ядро, становящееся сверхплотной нейтронной звездой - а, в некоторых случаях, и черной дырой. Наблюдения за сверхновой 1987А (тип II) подтвердили именно эту теоретическую картину. [см. "The Great Supernova of 1987," by Stan Woosley and Tom Weaver; Scientific American, August 1989].
Однако даже после этого объяснение вспышки сверхновой является серьезной проблемой для астрофизиков. Компьютерное моделирование с большим трудом может воспроизводить сами взрывы, не говоря уже об их особенностях. Взорвать звезду на удивление сложно. Она саморегулируется, оставаясь стабильной миллиарды лет. Даже в остывших или остывающих звездах идут процессы, из-за которых светило скорее выгорает дотла, чем взрывается. Для описания этих явлений были использованы многомерные модели, находящиеся на грани (а иногда - и за гранью) вычислительных мощностей. Лишь совсем недавно ситуация несколько улучшилась.
Нелегко взрывать звезды…
Как ни странно, звезды, взрывающиеся по типу Ia, обычно являются образцами стабильности - белыми карликами. Белый карлик - это выгоревшая солнцеподобная звезда. Она почти не изменяет своего состояния - только медленно остывает. Но Хойль и Фаулер доказали, что белый карлик, быстро вращающийся вокруг другой звезды, может стягивать с нее вещество, увеличивать свою массу и все более сжиматься, пока не достигнет условий, обеспечивающих взрывной синтез углерода и кислорода.
Взрывной синтез резко отличается от обычного режима горения звезды. Устойчивая реакция идет по всему объему звезды, оставляя большие объемы продуктов (в основном, никеля). Но в любой момент в очень маленьком объеме (чаще всего - на поверхности выгоревших пузырей, плавающих в глубинных областях белого карлика) может начаться реакция синтеза. Из-за малой плотности эти пузыри стремятся всплыть к поверхности звезды - почти так же, как и пузыри пара в кипящей воде.
Но в этой картине есть один недостаток - термоядерная реакция в таких условиях должна потухнуть. Выделенная энергия вызовет расширение звезды, расширяясь, она остынет, а это остановит реакцию. В отличие от бомбы, у звезды нет стенок, которые ее ограничивают и предотвращают подобное самогашение.
Вместе с этой теоретической неприятностью возникает и чисто техническая. Никакая лаборатория не сможет воспроизвести условия вспышки. Наблюдения сверхновых зависят только от самих сверхновых. Самое лучшее, что можно сделать - смоделировать процесс на компьютере. Задача серьезная. На данный момент самая точная модель, рассчитанная нашей группой на суперкомпьютере IBM p690, моделирует звезду при помощи сетки с ребром в 1024 элемента, каждый из которых в реальности имел бы размеры порядка нескольких километров. Каждый шаг счета требует 1020 арифметических операций, но такая сложная задача рассчитывается компьютером со скоростью примерно 1011 операция в секунду. И мы получаем почти 60 лет машинного времени! Трюки, упрощающие счет в других областях науки, здесь неприменимы - сверхновая слишком асимметрична, условия в ней экстремальны, диапазон временных и пространственных масштабов велик… Физика элементарных частиц, ядерная физика, гидродинамика, теория относительности сами по себе непросты. Эмуляция сверхновой объединяет их все в одной задаче.
"Гюльчатай, открой личико!"
Решение пришло оттуда, откуда его не ждали - из инженерно-физических проблем проектирования двигателей. Смешивание и детонация бензина и кислорода в цилиндре порождает турбулентность. Турбулентность же увеличивает поверхность пламени, растягивая и разрывая его. Потребление топлива, пропорциональное интенсивности сгорания, растет…
Звезда тоже турбулентна. При быстром движении газа на дистанциях звездного порядка даже небольшое возмущение мгновенно переводит режим течения из ламинарного в турбулентный. В сверхновой всплывание горячих пузырей должно настолько перемешать плазму, что возникшая термоядерная реакция распространяется быстрее, чем звезда может релаксировать.
В правильно работающем двигателе внутреннего сгорания фронт пламени распространяется на дозвуковой скорости, ограниченной скоростью проникновения тепла сквозь горючую смесь - это обычное горение. В двигателе, подверженном вибрациям и ударам, пламя распространяется со сверхзвуковой скоростью на фронте ударной волны. Эта же волна перемешивает и уплотняет смесь - возникает детонация.
Этими же двумя способами может распространяться термоядерная реакция. Детонация, как более активный процесс, выжигает звезду гораздо интенсивнее - в результате остаются только тяжелые элементы, такие, как никель и железо. Однако астрономы обнаружили в спектрах излучения и линии кремния, серы, кальция, многих других элементов. Это значит, что вспышка хотя бы на начальном этапе проходит как горение.
В последние годы процессы термоядерного горения были полностью смоделированы не только нашей группой, но и Калифорнийским университетом, его отделением в Санта Круз и Чикагским университетом. Разработанные для этого машинные коды теперь используются для моделирования химических взрывов и даже для предсказания погоды. Турбулентность - трехмерный процесс, в турбулентном потоке кинетическая энергия переходит с масштабных течений в малые вихри, где и рассеивается в виде тепла. Другими словами, течение становится гораздо более раздробленным. Пока трехмерное моделирование не стало решаемой задачей - и это описание не было доступно.
Результат полноразмерного моделирования сверхновой показал множество грибообразных структур - смятые и разрушенные турбулентностью горячие пузыри, всплывавшие в слоистой жидкости. Ускорение реакции синтеза, вызванное турбулентным следом, вызывало разрушение звезды всего за несколько секунд. Осколки разлетались со скоростью примерно 10000 километров в секунду - хорошее соответствие с результатами наблюдений.
Решение есть - но множество вопросов еще открыто. Нет никакой ясности в вопросе - что же запускает начальную реакцию. Еще одна проблема - горение должно выбросить немалую часть звезды в неизменном состоянии, однако наблюдения говорят - лишь малая часть остается нетронутой. Значит, взрыв не может быть чистым горением - должна быть детонация. Теоретики так до сих пор и не смогли объяснить, как оба процесса могут протекать одновременно. Все еще не определен весь возможный спектр условий вспышки. Вполне возможно, что захват вещества белым карликом - не единственная возможность получить сверхновую типа Ia. Возможно, вспышка возможна и при столкновении двух звезд подобного типа.
Гравитационная могила
Другой важный тип сверхновой, возникающий при гравитационном коллапсе звездного ядра, еще сложнее объяснить. Наблюдения показали гораздо больше возможных вариантов вспышки, чем при термоядерном взрыве. В некоторых сверхновых этого типа есть водород, в некоторых - нет; распространение взрыва иногда идет в плотное ядро, иногда - в ближний космос; в отдельных случаях в спектрах виден никель - в других его нет. Спектр энергий и скоростей продуктов взрыва аномально велик. После наиболее сильных вспышек остается мощное и длительное после-свечение в гамма-диапазоне. [см. "The Brightest Explosions in the Universe,'' by Neil Gehrels, Luigi Piro and Peter J. T. Leonard; Scientific American, December 2002]. Эта двоякость - только одна из множества старых загадок. Сверхновые со схлопывающимся ядром - лучшие кандидаты на роль источника наиболее тяжелых ядер, таких, как золото, свинец, торий и уран - эти элементы могут синтезироваться только в особых условиях. Но никто не знает, возникают ли такие условия при коллапсе ядра звезды.
Хотя основная идея схлопывания ядра звучит очень просто - коллапс высвобождает энергию гравитационного взаимодействия, которая переходит во взрыв материала - детали уловить очень сложно. В конце своей жизни звезда с массой, в десять и более раз превышающей солнечную, напоминает луковицу - каждый слой которой содержит все более тяжелые элементы. Ядро состоит большей частью из железа, его целостность удерживается силами отталкивания между электронами. Но в определенный момент вес звезды превышает силу взаимодействия электронов. Они вдавливаются в атомное ядро, где реагируют с протонами, давая в результате нейтрон и электронное нейтрино. Нейтроны и оставшиеся протоны становятся упакованными все более и более плотно, пока не начинают работать внутриядерные силы, останавливающие коллапс.
Если следовать этой точке зрения, необходимо предположить, что схлопывание каким-то образом разворачивается и переходит в интенсивное расширение. Вещество, упавшее в гравитационную яму, вылетает обратно. Согласно классической теории этот процесс осуществляется ударной волной, возникающей при столкновении движущихся со сверхзвуковой скоростью верхних слоев звезды с затормозившее ядро. Ударная волна двигается наружу, сжимая и разогревая среду распространения.
Проблема в том, что волна очень быстро рассеивает свою энергию и теряет скорость. Так как же звезда может взорваться?
Ключ к ответу лежит в революционных работах Стирлинга Колгейта и Ричарда Уайта, написанных еще в 1966 году. Их теория была подтверждена современным компьютерным моделированием, проведенным Джимом Вилсоном в начале 1980х годов. (Все три работы были проведены в институтах, впоследствии ставших Ливерморской лабораторией).
Они предположили, что энергия из ядра распространяется не только в виде ударной волны. Возможно, в ход идут возникшие при коллапсе нейтрино. Идея кажется, как минимум, странной - нейтрино известны своим нежеланием вступать в любые реакции. Они так слабо взаимодействуют с частицами, что даже обнаружение нейтрино - непростая задача.
Но в коллапсирующей звезде у них есть достаточно энергии, чтобы инициировать взрыв, а в сверхплотной среде вероятность связать нейтрино гораздо выше. Они разогревают слой вокруг внутренней части ядра сверхновой, поднимая давление за фронтом ударной волны.
Слово ракетчикам
Может ли это быть толчком, оживляющим ударную волну, заставляющим ее выплескиваться наружу и разрастаться в полномасштабный взрыв? Согласно результатам компьютерного моделирования - нет. Хоть газ и поглощает нейтрино, параллельно идет процесс их испускания, и эмуляция показывает, что потерь будет слишком много - взрыв затухнет. Впрочем, в этих моделях было существенное упрощение - считалось, что звезда сферически симметрична. То есть, они упускали из внимания критические многомерные явления, такие, как конвекция, вращение. Но они существенны - наблюдаемые осколки всегда разлетались асимметрично и асферично.
Казалось бы - решение вопроса о сверхновых. Многомерные эмуляции показали, что в плазме околоядерного слоя, подогреваемого нейтрино, развиваются плавучие пузыри и грибообразные структуры. Конвекция выносит их энергию в ударную волну, выдавливая ее наружу и запуская вспышку.
В этой улучшенной картине есть очень интересные особенности. Пока взрыв развивается относительно медленно, пузыри горячей расширяющейся плазмы, разделенные нисходящими потоками холодного вещества, успевают слиться воедино. В результате течение состоит из нескольких - а иногда и из одного - всплывающих пузырей, окруженных нисходящими течениями. Как следствие - последовательность нецентральных взрывов сводит на нет всю симметричность исходной звезды. Асимметрия растет, если тормозящая ударная волна деформируется в сильно выгнутый фронт. Если же этот фронт проходит сквозь сильно слоистую исходную структуру - возникают дополнительные нестабильности. В результате все синтезированные в звезде элементы после взрыва оказываются перемешанными друг с другом.
Раз осколки звезды разлетаются преимущественно в одном направлении, образовавшаяся нейтронная звезда должна получить импульс, направленный в противоположную сторону. Нашей группой были рассчитаны соответствующие скорости, составившие порядка 1000 километров в секунду - это соответствует большинству наблюдаемых нейтронных звезд. Но некоторые из них двигаются медленнее - значит, пузыри в них не имели времени на слияние. Мы получили стройную картину, в которой из единственного исходного процесса вытекает весь спектр наблюдаемых явлений.
Но, несмотря на то, прорыв в деле моделирования сверхновых, ни одна из существующих эмуляций до сих пор не достигла того уровня точности, который смог бы полностью описать вспышку сверхновой во всем ее блеске. Все модели используют упрощения и аппроксимации. Полное же описание должно оперировать семью обобщенными координатами; а именно тремя пространственными и временной - для вещества звезды, энергетической и двумя импульсными - для нейтрино. Более того, желательно рассмотреть все три типа ("аромата") нейтрино.
Но дело упирается в одну серьезную проблему - во всем мире нет ни такого оборудования, ни такого программного обеспечения, которое справилось бы с поставленной задачей.
Одна из ближайших целей - выяснить, может ли взрыв запускаться различными способами. Скажем, энергия вращения формирующейся нейтронной звезды может перекачиваться магнитным полем в энергию ударной волны. Магнитное поле может и выдавить вещество вдоль оси вращения в два полярных факела. Этими эффектами можно объяснить наиболее сильные взрывы. Вспышки в гамма-диапазоне, в частности, говорят о том, что эти факелы движутся почти со скоростью света. После такого ядро может схлопнуться даже не в нейтронную звезду, а в черную дыру.
Пока теоретики продвигаются в своих изысканиях, наблюдатели тоже не стоят на месте, забираясь все дальше в неисследованные области. Идут попытки детектировать не только электромагнитные возмущения, но и нейтронные вспышки, и гравитационные волны. Коллапсирующее ядро звезды, его возможное схождение в черную дыру не только выплескивает мощный поток нейтрино, но и сминает метрику пространства-времени. А эти сигналы, в отличие от световых, не экранируются верхними слоями звезд, а вылетают прямо из бездны катаклизма.
Хочется верить, эта новая информация принесет новые открытия… Открытия о том, как погибают звезды.
© 1996-2006 Scientific American, Inc. Все права защищены.
Перепечатывание всей статьи или ее частей без разрешения редакции запрещено. 8-)
А уж если кто-нибудь ткнет пальцем в глюки - буду очень сильно благодарен...
Ps. Оригинал: http://www.sciam.com/print_version.cfm?articleID=000160CC-A71B-150E-A26183414B7F0000