Во что превращается звезда когда погибает
Как умирают самые массивные звёзды: сверхновая, гиперновая или прямой коллапс?
Иллюстрация процесса взрыва сверхновой, наблюдаемой с Земли в XVII веке в созвездии Кассиопея. Окружающий её материал и постоянное испускание электромагнитного излучения сыграли свою роль в непрерывной подсветке остатков звезды
Создайте достаточно массивную звезду, и она не закончит свои дни тихонечко — так, как это предстоит нашему Солнцу, которое сначала будет плавно гореть миллиарды и миллиарды лет, а затем сожмётся до белого карлика. Вместо этого её ядро схлопнется, и запустит неконтролируемую реакцию синтеза, которая разметает внешние слои звезды во взрыве сверхновой, а внутренние части сожмёт в нейтронную звезду или чёрную дыру. По крайней мере, так принято считать. Но если вы возьмёте достаточно массивную звезду, сверхновой может и не получиться. Вместо этого есть другая возможность – прямое схлопывание, в котором вся звезда просто исчезает, превращаясь в чёрную дыру. А ещё одна возможность известна, как гиперновая — она гораздо более энергетическая и яркая, чем сверхновая, и не оставляет за собой остатков ядра. Каким же образом закончат свою жизнь самые массивные звёзды? Вот, что говорит об этом наука.
Туманность из остатков сверхновой W49B, всё ещё видимая в рентгеновском диапазоне, а также на радио- и инфракрасных волнах. Звезда должна превышать Солнце по массе хотя бы в 8-10 раз, чтобы породить сверхновую и создать необходимые для появления во Вселенной таких планет, как Земля, тяжёлые элементы.
Ультрамассивная звезда WR 124 (звезда класса Вольфа-Райе) с окружающей её туманностью – одна из тысяч звёзд Млечного Пути, способная стать следующей сверхновой. Она также гораздо больше и массивнее тех звёзд, что можно создать во Вселенной, содержащей лишь водород и гелий, и уже может находиться на этапе сжигания углерода.
Если звезда будет настолько массивной, то её ждёт настоящий космический фейерверк. В отличие от солнцеподобных звёзд, нежно срывающих свои верхние слои, из которых формируется планетарная туманность, и сжимающихся до белого карлика, богатого углеродом и кислородом, или до красного карлика, который никогда не достигнет этапа сжигания гелия, и просто сожмётся до богатого гелием белого карлика, наиболее массивным звёздам уготован настоящий катаклизм. Чаще всего, особенно у звёзд с не самой большой массой (≈ 20 солнечных масс и меньше), температура ядра продолжает повышаться, пока процесс синтеза переходит на более тяжёлые элементы: от углерода к кислороду и/или неону, и затем далее, по периодической таблице, к магнию, кремнию, сере, приходя в итоге к железу, кобальту и никелю. Синтез дальнейших элементов потребовал бы больше энергии, чем выделяется при реакции, поэтому ядро схлопывается и появляется сверхновая.
Анатомия сверхмассивной звезды в течение её жизни, заканчивающейся сверхновой II типа
Это очень яркий и красочный конец, настигающий множество массивных звёзд во Вселенной. Из всех появившихся в ней звёзд лишь 1% обретают достаточную массу, чтобы дойти до такого состояния. При повышении массы количество звёзд, достигших её, уменьшается. Порядка 80% всех звёзд во Вселенной – красные карлики; масса 40% их них не превышает массы Солнца. При этом Солнце массивнее 95% звёзд во Вселенной. В ночном небе полно очень ярких звёзд: тех, что легче всего увидеть человеку. Но за порогом нижнего ограничения для появления сверхновой существуют звёзды, превышающие Солнце по массе в десятки и даже сотни раз. Они очень редки, но весьма важны для космоса – всё потому, что массивные звёзды могут закончить своё существование не только в виде сверхновой.
Туманность Пузырь находится на задворках останков сверхновой, появившейся тысячи лет назад. Если удалённые сверхновые находятся в более пыльном окружении, чем их современные двойники, это потребует коррекции нашего сегодняшнего понимания тёмной энергии
Во-первых, у многих массивных звёзд имеются истекающие потоки и выброшенный наружу материал. Со временем, когда они приближаются либо к концу своей жизни, либо к концу одного из этапов синтеза, что-то заставляет ядро на короткое время сжаться, из-за чего оно разогревается. Когда ядро становится горячее, скорость всех типов ядерных реакций увеличивается, что ведёт к быстрому увеличению количества энергии, создаваемому в ядре звезды. Это увеличение энергии может сбрасывать большое количество массы, порождая явление, известное, как псевдосверхновая: происходит вспышка ярче любой нормальной звезды, и теряется масса в количестве до десяти солнечных. Звезда Эта Киля (ниже) стала псевдосверхновой в XIX веке, но внутри созданной ею туманности она всё ещё горит, ожидая финальной участи.
Псевдосверхновая XIX века явила себя в виде гигантского взрыва, выбросив материала на несколько солнц в межзвёздное пространство от Эты Киля. Такие звёзды большой массы в богатых металлами галактиках (как, например, наша), выбрасывают существенную долю своей массы, чем отличаются от звёзд в меньших по размеру галактиках, содержащих меньше металлов
Так какова же конечная судьба звёзд, массой более чем в 20 раз превышающих наше Солнце? У них есть три возможности, и мы ещё не полностью уверены в том, какие именно условия приводят к развитию каждой из трёх. Одна из них – сверхновая, которые мы уже обсудили. Любая ультрамассивная звезда, теряющая достаточно много своей массы, может превратиться в сверхновую, если её масса внезапно попадёт в правильные пределы. Но существуют ещё два промежутка масс – и опять-таки, мы точно не знаем, какие именно это массы – позволяющие произойти двум другим событиям. Оба этих события определённо существуют – мы уже их наблюдали.
Фотографии в видимом и близком к инфракрасному свете с Хаббла демонстрируют массивную звезду, примерно в 25 раз превышающую Солнце по массе, внезапно исчезнувшую, и не оставившую ни сверхновой, ни какого-то другого объяснения. Единственным разумным объяснением будет прямой коллапс.
Чёрные дыры прямого коллапса. Когда звезда превращается в сверхновую, её ядро схлопывается, и может стать либо нейтронной звездой, либо чёрной дырой – в зависимости от массы. Но только в прошлом году, впервые, астрономы наблюдали, как звезда массой в 25 солнечных просто исчезла. Звёзды не исчезают бесследно, но тому, что могло произойти, существует физическое объяснение: ядро звезды прекратило создавать достаточное давление излучения, уравновешивавшее гравитационное сжатие. Если центральный регион становится достаточно плотным, то есть, если достаточно большая масса оказывается сжатой в достаточно малый объём, формируется горизонт событий и возникает чёрная дыра. А после появления чёрной дыры всё остальное просто втягивается внутрь.
Одно из множества скоплений в этом регионе подсвечивается массивными, короткоживущими голубыми звёздами. Всего за 10 миллионов лет большая часть из наиболее массивных звёзд взорвётся, став сверхновыми II типа – или просто испытает прямой коллапс
Теоретическую возможность прямого коллапса предсказывали для очень массивных звёзд, более 200-250 солнечных масс. Но недавнее исчезновение звезды такой относительно малой массы поставило теорию под вопрос. Возможно, мы не так хорошо понимаем внутренние процессы звёздных ядер, как считали, и, возможно, у звезды есть несколько способов просто схлопнуться целиком и исчезнуть, не сбрасывая какого-то ощутимого количества массы. В таком случае формирование чёрных дыр через прямой коллапс может быть гораздо более частым явлением, чем считалось, и это может быть весьма удобным для Вселенной способом создания сверхмассивных чёрных дыр на самых ранних стадиях развития. Но существует и другой итог, совершенно противоположный: световое шоу, гораздо более красочное, чем сверхновая.
При определённых условиях звезда может взорваться так, что не оставит ничего после себя!
Взрыв гиперновой. Также известен, как сверхъяркая сверхновая. Такие события бывают гораздо более яркими и дают совсем другие световые кривые (последовательность повышения и понижения яркости), чем любые сверхновые. Ведущее объяснение явления известно, как «парно-нестабильная сверхновая». Когда большая масса – в сотни, тысячи и даже многие миллионы раз больше массы всей нашей планеты – схлопывается в небольшой объём, выделяется огромное количество энергии. Теоретически, если звезда будет достаточно массивной, порядка 100 солнечных масс, выделяемая ею энергия окажется такой большой, что отдельные фотоны могут начать превращаться в электрон-позитронные пары. С электронами всё ясно, а вот позитроны – это их двойники из антиматерии, и у них есть свои особенности.
На диаграмме показан процесс производства пар, который, как считают астрономы, привёл к появлению гиперновой SN 2006gy. При появлении фотонов достаточно высокой энергии появятся и электрон-позитронные пары, из-за чего упадёт давление и начнётся неуправляемая реакция, уничтожающая звезду
Это значит, что для сверхмассивной звезды есть четыре варианта развития событий:
При изучении очень массивной звезды появляется искушение предположить, что она станет сверхновой, после чего останется чёрная дыра или нейтронная звезда. Но на самом деле есть ещё два возможных варианта развитии событий, которые уже наблюдали, и которые происходят довольно часто по космическим меркам. Учёные всё ещё работают над пониманием того, когда и при каких условиях происходит каждое из этих событий, но они на самом деле происходят. В следующий раз, рассматривая звезду, во много раз превосходящую Солнце по массе и размеру, не думайте, что сверхновая станет неизбежным итогом. В таких объектах остаётся ещё много жизни, и много вариантов их гибели. Мы знаем, что наша наблюдаемая Вселенная началась со взрыва. В случае наиболее массивных звёзд мы пока ещё не уверены, закончат ли они свою жизнь взрывом, уничтожив себя целиком, или же тихим коллапсом, полностью сжавшись в гравитационную бездну пустоты.
Как умирает звезда
Звезда сама по себе это кузница химических элементов. Всё вокруг вас, все что вы сейчас видите и что не видите, было создано звёздами. Не сами предметы конечно, а то из чего они состоят- атомы. Даже мы сами — дети звёзд. Мы состоим из тех материалов которые произвела какая-то далекая и старая звезда во время своей грандиозной смерти. Вполне вероятно что атомы вашей левой и правой руки были произведены разными звёздами.
Признаки скорой смерти звезды
Термоядерный Синтез в звездах
Когда водород заканчивается, начинается производство углерода, затем кислорода и так вплоть до железа.
Финальные стадии звёздной эволюции
Жизненный цикл звёзд зависит от их массы. Крупные звёзды интенсивнее сжигают своё топливо и сгорают за несколько десятков миллионов лет. Мелкие могут «тлеть» сотни миллиардов лет. Таким образом, в зависимости от массы звезды будет происходить и процесс ее смерти. На рисунке ниже представлены примеры эволюции звезд различной массы.
Рассмотрим более подробно, какие загадочные процессы происходят при окончаниижизненного цикла различных звезд.
Сверхмассивные звёзды
После того как звезда с массой большей, чем пять Солнечных масс, входит в стадию красного сверхгиганта, её ядро под действием сил гравитации начинает сжиматься. По мере сжатия растут температура и плотность, и начинается новая последовательность термоядерных реакций.
В результате самые большие и массивные звёзды сгорают быстро и взрываются сверхновыми.
Взрыв сверхновой звезды
В этой ослепительной вспышке сверхновой звезды выделяется в 100 раз больше энергии, чем даёт Солнце за всю свою жизнь. После взрыва сверхновой остаётся нейтронная звезда или чёрная дыра, а вокруг них — материя, выброшенная колоссальной энергией взрыва, которая после становится материалом для новых звёзд.
Из наших ближайших звёздных соседей такая судьба ждёт, например, Бетельгейзе, однако когда она взорвётся, подсчитать невозможно.
Процессы, протекающие при образовании сверхновой, до сих пор изучаются, и пока в этом вопросе нет ясности. Также под вопросом остаётся момент, что же на самом деле остаётся от изначальной звезды.
Бетельгейзе готовится к взрыву
В настоящее время для сверхмассивной звезды есть четыре варианта развития событий:
Тем не менее, чаще всего рассматриваются два варианта: нейтронные звезды и чёрные дыры.
Нейтронные звезды
Дальше гравитация продолжает сжимать то, что осталось, но на определённом этапе ядерные силы останавливают сжатие и получается нейтронная звезда – пульсар.
Нейтронная звезда — это страшный физический феномен. Ядро взорвавшейся звезды сжимается — примерно так же, как газ в двигателе внутреннего сгорания, только в очень большом и эффективном: шар диаметром в сотни тысяч километров превращается в шарик от 10 до 20 километров в поперечнике. Сила сжатия так велика, что электроны падают на атомные ядра, образуя нейтроны — отсюда название. Для ее поверхности характерны сверхсильные магнитные поля и сверхсильная гравитация.
Что останется на месте остывшей нейтронной звезды, сказать сложно, а пронаблюдать — невозможно: мир слишком для этого слишком молод.
Черные дыры
Если же звезда была более, чем в 30 раз тяжелее Солнца, то после взрыва её, как сверхновой, гравитационный коллапс не останавливается – образуется чёрная дыра. Она имеет плотность такую, какую будет иметь Земля, если её сжать до диаметра 5 см. Поэтому сила гравитации чёрных дыр стремится к бесконечности. Такую силу притяжения не могут преодолеть даже частицы света со своими предельными скоростями. Поэтому чёрная дыра не отражает падающий на неё свет, она его поглощает. Отсюда такое название.
Учёные предполагают, что в чёрных дырах не действуют законы физики, перестаёт существовать пространство и время, но остаётся информация в виде голографических проекций. Край чёрной дыры – горизонт событий – это граница времени и пространства. Центр чёрной дыры – сингулярность – физическая неопределённость. Чёрная дыра поглощает звезды и туманности пока им хватает места. А потом выбрасывает мощный поток газа – квазар за пределы галактики.
Ширина квазара больше чем диаметр Солнечной системы. За границей галактики начинают формироваться новые звёзды и новые галактики.
Звёзды среднего размера
Другие, менее массивные звёзды (от 0,4 до 3,4 солнечных масс) дольше, чем самые большие, остаются на главной последовательности, зато, сойдя с неё, умирают гораздо быстрее, чем их нейтронные родственники.
Звезда подобная Солнцу— а это звездочка среднего размера, в конце существования больше не может сдерживать свои внешние слои и они начинают сбрасываться, отдаляясь от ядра, все больше раздувая солнце становясь красным гигантом. Изменения в величине излучаемой энергии заставляют звезду пройти через периоды нестабильности, включающие в себя изменения размера, температуры поверхности и выпуск энергии.
Гравитация же действует в обратном направлении, сжимая ядро, увеличивая его плотность. Расширяясь, звезда достигает огромных размеров.
В преддверии своей смерти наше Солнце поглотит Меркурий, Венеру, а потом и Землю. Восход во времена последних миллионов лет будет чем то невероятным. Солнце будет перекрывать весь горизонт испепеляя все на своем пути.
Судьба центральной части звезды полностью зависит от её исходной массы, — ядро звезды может закончить свою эволюцию как:
В момент когда топлива не останется даже для производства железа, звезда полностью скинет свои внешние слои, разнося элементы по вселенной. Ядро же сожмётся в безжизненный и очень плотный объект — белый карлик, размером с Землю. Получившийся объект будет обладать невероятной плотностью, в миллионы раз превышающий первоначальную.
Белый карлик в Туманности кошачий глаз
Подавляющему большинству звёзд, и Солнцу в том числе, придет конец, белый же карлик продолжит своё существование ещё миллиарды лет, заставляя планеты вращаться вокруг безжизненного остатка.
Белые карлики составляют сейчас от 3 до 10% звёздного населения Вселенной. Их температура очень велика — более 20 000 К, более чем втрое больше, чем температура поверхности Солнца — но всё-таки меньше, чем у нейтронных звёзд, и благодаря более низкой температуре и большей площади белые карлики остывают быстрее — за 10 14 — 10 15 лет. Это означает, что в ближайшие 10 триллионов лет — когда Вселенная станет в тысячу раз старше, чем сейчас, — во вселенной появится новый тип объекта: чёрный карлик, продукт остывания белого карлика.
Пока черных карликов в космосе нет. Даже самые старые остывающие звёзды на сегодняшний день потеряли максимум 0,2% своей энергии; для белого карлика с температурой в 20 000 К это означает остывание до 19 960 K.
Звёзды с малой массой
В настоящее время достоверно неизвестно, что происходит с лёгкими звёздами после истощения запаса водорода в их недрах. Поскольку возраст Вселенной составляет 13,7 миллиардов лет, что недостаточно для истощения запаса водородного топлива в таких звёздах, современные теории основываются на компьютерном моделировании процессов, происходящих в таких звёздах.
Звезда Проксима Центавра
Некоторые звёзды могут синтезировать гелий лишь в некоторых активных зонах, что вызывает их нестабильность и сильные звёздные ветры. В этом случае звезда просто постепенно испаряется.
Звезда с массой менее 0,5 солнечной не в состоянии преобразовывать гелий даже после того, как в её ядре прекратятся реакции с участием водорода, — масса такой звезды слишком мала для того, чтобы обеспечить процессы, необходимые для ее взрыва.
К звёздам, которым уготован этот путь, относят красные карлики. После прекращения в их ядрах термоядерных реакций, они, постепенно остывая, будут продолжать слабо излучать в инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра.
Звезды просто так не исчезают…
Смерть звезд даёт строительный материал для Вселенной. Все химические элементы – золото, серебро, платина, железо и прочие образуются внутри умирающих звёзд и при их взрывах разлетаются в космос.
Первые звёзды были массивными (в несколько тысяч раз больше Солнца) и нестабильными. Они быстро рождались и быстро умирали, оставляя после себя космическую пыль богатую разными химическими элементами. Образовались они из космических туманностей, благодаря энергии Большого Взрыва.
Молодая звезда и её околозвездное пространство на начальном этапе это бушующая стихия с большим количеством хаотично вращающихся малых планет. Сталкиваясь между собой некоторые из них рассыпаются, а другие растут, поглощая остатки первых.
В результате таких столкновений у Меркурия, например, слетела его верхняя кора и осталось только ядро.
Спустя 500 миллионов лет число планет уменьшается, а их размер увеличивается.
Солнце относится к малым звёздам. Его гибель через 5 – 6 миллиардов лет будет проходить по первому сценарию. Сейчас во Вселенной 80% звёзд не крупнее чем Солнце.
Видео
Во что превращается звезда когда погибает
Жизненный цикл звёзд зависит от их массы. Крупные звёзды интенсивнее сжигают своё топливо и сгорают за несколько десятков миллионов лет. Мелкие могут «тлеть» сотни миллиардов лет.
Когда водород заканчивается, прекращаются реакции нуклеосинтеза. Гравитация начинает сжимать звезду, до тех пор пока повышающаяся при этом температура не запускает механизм вторичного термоядерного синтеза, в ходе которого гелий ядра звезды превращается в углерод. В его сердце остаётся кристалл чистого углерода – алмаз на тысячу карат. При вторичном сгорании гелия в ядре звезды выделяется так много энергии, что звезда начинает раздуваться и превращается в красного гиганта, так как её внешний слой остывает до красной части спектра. Диаметр звезды увеличивается более чем в 100 раз. Когда заканчивается топливо для вторичного термоядерного синтеза, гравитационные силы вновь начинают сжимать звезду и она превращается в вырожденного белого карлика, который будет излучать в пространство остаточное тепло, пока не остынет окончательно. В процессе эволюции звезды из красного гиганта в белый карлик, большая часть её внешних слоёв сбрасывается в межзвёздную среду и становится материалом для последующего формирования новых звёзд.
Такой финал уготован звёздам средним, таким как наше Солнце.
Звёзды более, чем в 8 раз массивнее Солнца погибают по другому сценарию. После сгорания в них гелия их огромная масса при сжатии разогревает ядро и оболочку настолько, что запускаются последующие реакции нуклеосинтеза, в результате которых получаются сначала углерод, потом кремний, магний и следующие элементы с возрастанием ядерных масс. Причём с началом каждой новой реакции в ядре звезды, предыдущая продолжается в её оболочке. Все химические элементы, из которых состоит Вселенная, образовались именно в результате нуклеосинтеза в недрах умирающих крупных звезд. Как только очередь доходит до образования железа, наступает конец звезды. При его синтезе энергия не выделяется, а только поглощается. За короткий промежуток времени топливо заканчивается, термоядерные реакции прекращаются, силы гравитации обрушивают оболочку звезды к её центру. Энергия столкновения внешней оболочки с ядром очень велика. Она взрывает звезду.
Если же звезда была более, чем в 30 раз тяжелее Солнца, то после взрыва её, как сверхновой, гравитационный коллапс не останавливается – образуется чёрная дыра. Она имеет плотность такую, какую будет иметь Земля, если её сжать до диаметра 5 см. Поэтому сила гравитации чёрных дыр стремится к бесконечности. Такую силу притяжения не могут преодолеть даже частицы света со своими предельными скоростями. Поэтому чёрная дыра не отражает падающий на неё свет, она его поглощает. Отсюда такое название.
Учёные предполагают, что в чёрных дырах не действуют законы физики, перестаёт существовать пространство и время, но остаётся информация в виде голографических проекций. Край чёрной дыры – горизонт событий – это граница времени и пространства. Центр чёрной дыры – сингулярность – физическая неопределённость. Чёрная дыра поглощает звезды и туманности пока им хватает места. А потом выбрасывает мощный поток газа – квазар за пределы галактики. Ширина квазара больше чем диаметр Солнечной системы. За границей галактики начинают формироваться новые звёзды и новые галактики. Чёрные дыры руководят эволюцией Вселенной.
Смерть звезд даёт строительный материал для Вселенной. Все химические элементы – золото, серебро, платина, железо и прочие образуются внутри умирающих звёзд и при их взрывах разлетаются в космос.
Первые звёзды были массивными (в несколько тысяч раз больше Солнца) и нестабильными. Они быстро рождались и быстро умирали, оставляя после себя космическую пыль богатую разными химическими элементами.
Первые звёзды образовались из космических туманностей, благодаря энергии Большого Взрыва. На более поздних этапах и сейчас звёзды продолжают рождаться. Но это происходит только после взрыва другой сверхновой звезды. Его взрывная волна даёт импульс для взаимодействия частиц космической пыли, в результате чего они начинают двигаться и сцепляться. Сцепляясь в один объект они всё больше увеличивают его в размере, тем самым увеличивая его гравитацию, что ещё больше притягивает другие частицы, а потом уже и более крупные космические объекты.
Молодая звезда и её околозвездное пространство на начальном этапе это бушующая стихия с большим количеством хаотично вращающихся малых планет. Сталкиваясь между собой некоторые из них рассыпаются, а другие растут, поглощая остатки первых. От таких столкновений у Меркурия например слетела его верхняя кора и осталось только ядро.
Спустя 500 миллионов лет число планет уменьшается, а их размер увеличивается.
Солнце относится к малым звёздам. Его гибель через 5 – 6 миллиардов лет будет проходить по первому сценарию. Сейчас во Вселенной 80% звёзд не крупнее чем Солнце.
Фото с сайта CSO : На расстоянии в 35 миллионов световых лет от Земли, в созвездии Эридана (Eridanus), лежит спиральная галактика NGC 1637. В 1999 году ее безмятежная красота была нарушена вспышкой очень яркой сверхновой звезды. Снимок сделан с Очень Большим Телескопом ESO (VLT) в обсерватории Паранал в Чили.