Смерть звезд

Втр, 04/01/2014 - 18:20

Испепеленная красным гигантом — состарившимся Солнцем, — в будущем Земля станет удобным местом для наблюдения за рождающейся планетарной туманностью

СТРОЕНИЕ КОШАЧЬЕГО ГЛАЗА


КОГДА УМИРАЕТ ЗВЕЗДА...



Немного найдется произведений, передающих красоту космических объектов, называемых планетарными туманностями. Освещенные изнутри родительской звездой, расцвеченные флуоресцирующими атомами и ионами на фоне космической черноты, газовые структуры кажутся живыми. Ученые дали им прозвища — Муравей, Морская Звезда, Кошачий Глаз...
Термин «планетарные туманности» — представляющие собой размытые, похожие на облака объекты, видимые только в телескоп — придумал два столетия назад английский астроном Вильям Гершель (William Herschel), исследователь туманностей. Многие из них имеют округлую форму, которая напомнила ученому зеленоватый диск планеты Уран, им же и открытой. К тому же он полагал, что округлые туманности могут быть планетными системами, формирующимися вокруг молодых звезд. Термин прижился, несмотря на то, что действительность оказалась иной: туманности такого типа состоят из газа, сброшенного умирающими звездами. Примерно через 5 млрд. лет Солнце закончит свой космический век изящным выбросом планетарной туманности, что не вполне соответствует теории эволюции звезд — основе, на которой базируется наше понимание космоса. Если звезды рождаются, живут и умирают круглыми, то как же они создают вокруг себя структуры, которые мы видим на фотографиях «Хаббла», подобные Муравью, Морской Звезде или Кошачьему Глазу?

И смерть приходит за ними

В течение ХХ в. астрономы поняли, что звезды четко делятся по типу смерти на два класса. Если масса звезды при рождении превышала восемь масс Солнца, то в конце жизни звезда внезапно взрывается как сверхновая, а менее массивные из них умирают долго и проводят свои последние годы, спазматически перерабатывая остатки топлива.
В недрах такой звезды на протяжении почти всей ее жизни термоядерные реакции сжигают водород, а затем гелий. Когда ядерное горение перемещается к свежему веществу, в окружающую ядро оболочку, то звезда раздувается в так называемый красный гигант. Как только водород сожжен, наступает очередь гелия. Его горение происходит неустойчиво, и звезда теряет стабильность. Ее сильные колебания вместе с давлением излучения раздувают слабо связанные поверхностные слои, создавая планетарную туманность.
Начиная с VIII в. астрономы обнаружили и занесли в каталоги почти 1500 планетарных туманностей, а еще 10 тыс. их могут скрываться за плотными пылевыми облаками Галактики. В то время как сверхновые вспыхивают в Млечном Пути лишь раз в несколько столетий, планетарные туманности рождаются каждый год. Конечно, сверхновые более зрелищны, но их остатки неприглядны и хаотичны, им недостает симметрии и изящества туманностей.

Планетарные туманности не столь уж легки и спокойны, они массивные и бурные: масса каждой — около трети солнечной и включает почти все оставшееся несожженным ядерное топливо звезды.

В начальной стадии слабо связанные внешние слои звезды покидают ее со скоростью 10-20 км/с; этот относительно медленный ветер уносит большую часть массы туманности. Все сильнее обнажая ядро, звезда меняет свой цвет от апельсинового к желтому, затем к белому и наконец — голубому. Когда температура ее поверхности становится выше 25000 K, она заливает окружающий газ жестким ультрафиолетом, настолько мощным, что он разрывает молекулы и лишает их атомы электронов. Звездный ветер уносит все меньше массы со все большей скоростью. Спустя 100 тыс. — 1 млн. лет, в зависимости от начальной массы звезды, процесс прекращается, и от светила остается чрезвычайно плотный и горячий белый карлик — «тлеющий уголек», сжатый гравитацией в шарик размером с Землю.

Поскольку предполагалось, что силы, отталкивающие вещество от умирающих звезд, сферически симметричны, то астрономы до 1980-х гг. представляли планетарные туманности как расширяющиеся сферические пузыри. Однако с тех пор представления изменились.

Рассекая тьму

Еще в 1978 г. было замечено, что жизнь планетарных туманностей не так проста: ультрафиолетовые наблюдения показали, что умирающие звезды продолжают терять вещество и после того, как они сбросили свои внешние слои. Разреженный поток газа уносится со скоростью 1000 км/с, т.е. в 100 раз быстрее более плотного потока, сброшенного ранее.
Сан Куок (Sun Kwok) из Университета Калгари, Кристофер Пертон (Ch.R. Purton) из Доминьонской радио-астрофизической обсерватории Канады и Пим Фицджеральд (M.P. Fitzgerald) из Университета Ватерлоо разработали модель звездного ветра: когда быстрые потоки догоняют и таранят более медленные, они, подобно бульдозеру, уплотняют перед собой слой газа. Оболочка из сжатого газа окружает почти пустую, но очень горячую полость, и постепенно быстрый поток очищает все больший объем.
Модель взаимодействующих звездных ветров подходит для сферических или почти сферических планетарных туманностей. Но в 1980-е гг. наблюдатели выяснили, что сферические туманности очень редки, вероятно, их не более 10%. Большинство же имеет вытянутую или яйцеобразную форму, а некоторые состоят из двух пузырей, расположенных по бокам от умирающей звезды. Астрономы называют их биполярными.

Вместе с Винсентом Икке (V. Icke) и Гаррелтом Меллемой (G. Mellema) из Лейденского университета в Нидерландах мы развили концепцию взаимодействующих ветров. Представим, что медленные потоки сначала формируют плотный тор, вращающийся в плоскости экватора звезды, который отклоняет звездный ветер в полярном направлении, формируя эллиптическую туманность. Если тор очень плотный и компактный, то возникают туманности типа Песочных часов.
Модель воспроизводила все изображения, полученные к 1993 г. Компьютерные расчеты показали, что идея в основе верна, а новые наблюдения подтвердили, что медленные потоки вокруг экватора звезды более плотные.

Однако наша радость была недолгой. В 1994 г. «Хаббл» получил первое четкое изображение планетарной туманности Кошачий Глаз (NGC 6543), открытой Гершелем. Один из ее двух пересекающихся эллипсов — тонкая оболочка, окружающая овальную полость, — соответствовали модели. Но никто не мог предположить, что туманность будет окружена клочковатыми красными областями. Еще более странными казались полосы вне туманности, похожие на струи. Наша модель взаимодействующих ветров в лучшем случае верна лишь частично.

Когда Солнце состарится, оно раздуется до размера нынешней орбиты Земли, заставив Меркурий и Венеру сгореть, подобно гигантским метеорам. Земля избежит такой участи, поскольку Солнце, потеряв часть своей массы, ослабит притяжение, и наша планета перейдет на новую, более удаленную орбиту. Солнце, как красный монстр, заполнит все небо. Когда один его край будет скрываться на западе, другой уже начнет восходить на востоке. Более холодное, чем сегодня (2000 K, а не 5800 K), оно все равно нагреет нашу планету.
Земля станет свидетелем формирования планетарной туманности как бы изнутри. Солнце сбросит свои внешние слои, колоссально усилив современный солнечный ветер. Постепенно «красный бегемот» разденется до ядра, которое превратится в белый карлик. Освещенные его голубым светом, предметы на Земле будут отбрасывать резкие и черные как смоль тени. Восходы и закаты крохотного светила станут мгновенными. Мощное ультрафиолетовое излучение карлика разрушит все молекулярные связи, камень превратится в плазму, которая окутает планету жутким переливающимся туманом. Теряя излучение, белый карлик постепенно остынет и потухнет. Вскоре остынет и планета. Так погибнет наш мир — сначала в огне, а затем во льду.

Другие материалы рубрики


  • О спонтанном возникновении вещества из пустого пространства говорят как о рождении “из ничего”, которое близко по духу рождению ex nihilo в христианской доктрине. Для физики пустое пространство совсем не “ничего”, а весьма существенная часть Вселенной, а мысль о рождении самого пространства может показаться вообще странной. Однако в каком-то смысле это все время происходит вокруг нас. Расширение Вселенной есть не что иное, как непрерывное “разбухание” пространства. С каждым днем доступная современным телескопам область Вселенной возрастает на 1018 кубических световых лет. Здесь полезна аналогия с резиной. Если упругий резиновый жгут вытянуть, его “становится больше”. Пространство напоминает суперэластик тем, что оно, насколько известно физикам, может неограниченно долго растягиваться не разрываясь. Растяжение и искривление пространства напоминает деформацию упругого тела тем, что “движение” пространства происходит по законам механики точно так же, как и движение обычного вещества. В данном случае это законы гравитации. Квантовая теория в равной мере применима как к веществу, так и к пространству и к времени.
    Действительно, благодаря собственной физической природе Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для “создания” материи — это есть космический бутстрэп (bootstrap — в переводе “зашнуровка”, в переносном смысле — отсутствие иерархии в системе элементарных частиц).



  • Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики и, в частности, появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
    Вопрос о начале начал занимать философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена «D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?» («Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?»). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть — происхождение, идентификация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и прото-жизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энергии, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Никто пока не определил, всякая ли звезда в Галактике окружена другими планетами, либо Солнце является исключением из данного правила. За последние 9 лет астрономы при наблюдении за колебательными движениями звезд, которые вызваны воздействием, оказываемым на них планетами, обнаружили сотни таких планет. Но этот метод помогает фиксировать лишь самые массивные планеты, находящиеся неподалеку от звезд. Так можно обнаружить Юпитер, Сатурн в Солнечной системе, но мелкие тела (кометы, астероиды, планеты земного типа), делающие Солнечную систему такой разнообразной, астрономы бы не смогли найти, используя эти методы наблюдения.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...В начале 70-х годов появилось предложение объединить бозоны и фермионы в единую теорию, что, мягко говоря, среди ученых вызвало недоумение, ведь столь различны по своим свойствам эти две группы частиц. Тем не менее, оно возможно, если обратиться к симметрии, более широкой, нежели симметрия Лоренца — Пуанкаре, лежащая в основе теории относительности. Математическая суперсимметрия соответствует извлечению квадратного корня из симметрии Лоренца — Пуанкаре, физически же она соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Разумеется, в реальном мире невозможно проделать такую операцию, тем не менее, операцию суперсимметрии можно сформулировать математически и можно построить теории, включающие суперсимметрии...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку. В результате этих работ была предсказана новая разновидность света, состоящая не из обычных фотонов, а из загадочных Z–частиц. В окрестностях Женевы в 1983 году в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, были обнаружены Z–частицы, то есть единая теория поля получила подтверждение. Теоретики к этому времени сформулировали амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабыми взаимодействиями еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Кроме того, были получены первые результаты исследований в области гравитации, показывавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Этот взрыв потряс не только часть Вселенной, но и земную астрономию! Громадная звезда вдруг стала сверхновой, и ее разорвало на куски с таким шиком, что даже бывалые астрономы заявили, что никогда такого не видали. А ведь должна была вести себя тихо-тихо. Ученые подозревают, что такое разрушительное событие может в любой момент повториться у нас прямо под боком. Возможно, даже завтра. Или прямо сейчас.



  • ...Итак, согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигла 1010 К — это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство Вселенной было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 108 К, а спустя еще несколько минут — ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Судя по многочисленным публикациям, посвященным современной астрофизике, она находится на подъеме. Положение дел даже сравнивают с революционной ситуацией, сложившейся в физике в начале прошлого века. Но если тогда истина рождалась в спорах, сейчас новые понятия проникают в астрофизику практически без сопротивления. При этом ключевые положения старой теории, вместо того, чтобы обрести окончательную ясность, заменяются наборами гипотез. Современный астрофизик подробно объяснит, что такое космологический вакуум или антигравитация, но на вопрос о происхождении галактик даст расплывчатый ответ, включающий несколько возможных сценариев.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • В кинокомедии «Карнавальная ночь» один из персонажей — лектор — сообщает: «Есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе, науке не известно». С тех пор прошло почти полвека, но это утверждение справедливо и сегодня. Однако не менее справедливо и другое: «Где есть вода — там есть и жизнь». Сегодня с большой долей уверенности можно сказать: вода на Марсе есть. Дело за малым — отыскать там жизнь.


  • Эксперты ООН в ежегодных докладах публикуют данные, говорящие, что Землю в перспективе ждет катастрофическое глобальное потепление, обусловленное возрастающими выбросами углекислого газа в атмосферу. Однако наблюдение за Солнцем позволяет утверждать, что в повышении температуры углекислый газ «не виноват» и в ближайшие десятилетия нас ждет не катастрофическое потепление, а глобальное, и очень длительное, похолодание.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5