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


  • 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


  • Прошло без малого сто лет с того момента, как были открыты космические лучи-потоки заряженных частиц, приходящих из глубин Вселенной. С тех пор сделано много открытий, связанных с космическими излучениями, но и загадок остается еще немало. Одна из них, возможно, наиболее интригующая: откуда берутся частицы с энергией более
    1020 эВ, то есть почти миллиард триллионов электрон-вольт, в миллион раз большей, чем будет получена в мощнейшем ускорителе — Большом адронном коллайдере (LHC)? Какие силы и поля разгоняют частицы до таких чудовищных
    энергий?

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • В своей ранней молодости Марс, похоже, подвергся удару, навсегда изменившему облик планеты. Объект размером с Плутон врезался в планету с севера, разделив ее на две половины — низкий север и высокий юг. Крупнейший кратер Солнечной системы сохранился до наших дней.



  • 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.



  • Наблюдения на рентгеновской обсерватории «Чандра» показали наличие большого числа маломассивных рентгеновских двойных звезд в эллиптических и линзовидных галактиках, а также в балджах — центральных сферических компонентах — дисковых галактик. Распределение источников по светимостям хорошо описывается двумя компонентами, граница между которыми соответствует светимости порядка (2-3) 1038 эрг/с. Т.к. эта величина примерно соответствует максимальной (т.н. Эддингтоновской) светимости объекта с массой 1.4 Мо, то возможно, что более мощные источники являются аккрецирующими черными дырами, а менее мощные — нейтронными звездами. Т.о. с некоторой долей уверенности можно говорить, что мы видим в галактиках ранних типов — эллиптических и линзовидных — тесные двойные системы как с черными дырами (самые яркие источники), так и с нейтронными звездами (менее яркие).



  • 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.


  • Космологи в замешательстве. Обычно предметы, брошенные вверх, замедляются. Планеты притягивают объекты, звезды притягивают планеты. Это нормально. Но почему тогда Вселенная расширяется? Отдельные галактики, разбросанные после Большого взрыва в разные стороны, должны притягиваться друг ко другу — и расширение должно замедляться. Но того не происходит: они разлетаются друг от друга с ускорением. Принято считать, что виновата во всем темная энергия, хотя она темная именно оттого, что о ней никто ничего не знает. Но уже ясно точно, что на предельно больших расстояниях гравитация превратилась в отталкивающую силу, а не в притягивающую.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • За последнее время вблизи Земли пролетели несколько сравнительно крупных небесных тел. Сильную тревогу вызвало в 1936 г. прохождение астероида Адонис на расстоянии около 2 млн. км от Земли. А настоящую панику вызвал в 1937 г. астероид Гермес, имеющий диаметр ≈1,5 км, промчавшийся лишь на расстоянии 800 тыс. км от Земли (удвоенное расстояние до Луны). Позже (в 1992 г.) большой ажиотаж был связан с приближением к Земле малой планеты Тоутатис. Астероид диаметром около полукилометра пролетел мимо Земли 19 мая 1996 г. на расстоянии всего 450 тыс. км.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • 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).



  • Однако сторонники потоков воды провели всестороннее исследование гипотезы о жидкой углекислоте и других средах. Были детально рассмотрены практически все ее аспекты и сделаны убедительные выводы. Например, в аккуратной работе Стьюарта и Ниммо, вышедшей в 2002 году, результаты сформулированы следующим образом: «Мы нашли, что ни конденсированный CO2, ни клатраты CO2 не могут быть накоплены в коре Марса в достаточных количествах... Таким образом, мы заключаем, что овраги не могут быть образованы жидким CO2. В свете этих результатов потоки жидкой воды остаются предпочтительным механизмом формирования свежих протоков на поверхности».