Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Такова общая картина взрыва массивной звезды, как она представляется из исследований Хойла и Фаулера. Из этой картины следует, что прежде чем взорваться, звезда должна была уже далеко продвинуться в своей эволюции. Существенно, что при этом радикально изменится химический состав ее недр. В частности, свыше половины массы звезды, представлявшей в начале эволюции водородно-гелиевую смесь, превратилось в легкие элементы. Непосредственной причиной, вызывающей взрыв звезды, является катастрофическое сжатие ее железного ядра в присутствии такого «холодильника», каким является скрытая теплота диссоциации железа на гелий и нейтроны. По-видимому, такой путь эволюции может быть типичным для достаточно массивных звезд. Поэтому описанная выше теория должна соответствовать вспышкам сверхновых II типа. Следует, однако, подчеркнуть, что несмотря на содержащиеся в этой теории ценные идеи, ее еще никак нельзя рассматривать как полное описание процессов, происходящих при вспышках сверхновых II типа. Так, например, эта теория совершенно не учитывает, что если вещество нагреется до температуры в несколько миллиардов кельвинов, там начнут в очень большом количестве образовываться нейтрино и антинейтрино. Эти частицы будут выходить из звезды, унося с собой огромное количество энергии.

Ядерные реакции, приводящие к образованию нейтрино (

) и антинейтрино (

), выглядят следующим образом (так называемый «урка-процесс»):

(18.1)

Уже начиная с температуры T

,5

10⁹ К нейтринное излучение массивных звезд превосходит их фотонное излучение. По мере повышения температуры сжимающегося ядра мощность нейтринного излучения звезды растет в огромной степени. Особенно оно увеличивается после того как железо в центральных частях звезды окажется диссоциированным, т. е. на более поздней стадии сжатия. Так как после такой диссоциации железный «холодильник» перестанет существовать, начнется новое, довольно быстрое повышение температуры ядра. Когда последняя повысится до 20 миллиардов кельвинов (к тому времени плотность ядра уже будет около 10¹⁰ г/см³), начнется расщепление альфа-частиц и появится значительное количество свободных (т. е. не связанных в ядрах) протонов и нейтронов. Это приведет к резкому увеличению скорости образования нейтрино и антинейтрино (см. формулу (18.1)). Они будут выходить из ядра, унося оттуда огромное количество энергии. Тем самым появится новый, исключительно мощный «холодильник».

Огромная энергия нейтринного излучения черпается из гравитационной энергии сжимающегося ядра. Покидающие звезду нейтрино и антинейтрино имеют энергии около 10 МэВ, что значительно выше, чем энергия солнечных нейтрино (см. §§ 8 и 9). Когда температура сжимающегося ядра достигнет 40 миллиардов кельвинов, а плотность будет

3

10¹¹ г/см³, возникнет новая ситуация: ядро звезды перестанет быть прозрачным для нейтрино. Последние будут поглощаться протонами и нейтронами (реакция (18.1), только читаемая справа налево!). Тем самым новый «холодильник» выключается, резко поднимается температура ядра, а процесс сжатия сильно замедляется. По-видимому, сжатие ядра прекращается совсем, когда его плотность достигает величины

3

10¹³ г/см³, а температура превосходит сто миллиардов кельвинов. Падающая на центр звезды оболочка останавливается, быстро нагревается, и «пороховой погреб» (т. е. легкие элементы в мантии) взрывается. Такова общая картина взрыва массивной звезды с учетом процессов образования нейтрино и антинейтрино в ее горячих, сжимающихся недрах. Заметим еще, что сжимающееся ядро может быстро перестать сжиматься еще по совершенно другой причине. Дело в том, что пока мы еще не учитывали вращения сжимающейся звезды. На основании известного из механики закона сохранения вращательного момента по мере сжатия звезды линейная скорость ее вращения быстро растет. Может возникнуть такая ситуация, что возникающие при этом огромные центробежные силы прекратят сжатие ядра звезды, как бы «застабилизировав» его. Тем самым остановится и сильно нагреется падающая на центр звезды «мантия» и создадутся условия для ядерного взрыва.

Не следует забывать еще, что вся описанная выше сложная физическая картина сжатия звезды, предшествующая ее взрыву, происходит за ничтожно малое время, около одной десятой секунды. За это время катастрофически сжимающаяся звезда излучит огромное количество нейтрино. Расчеты показывают, что полная энергия этих нейтрино достигает значения

10⁵² эрг, т. е. почти в сто раз больше кинетической энергии выброшенной оболочки звезды! Это примерно в тысячу раз больше, чем энергия нейтринного излучения Солнца за все время его эволюции, т. е. за 5 миллиардов лет. По крайней мере 99% освободившейся при катастрофическом сжатии звезды гравитационной энергии переходит в нейтрино и только едва 1% — в те виды энергии, которые наблюдаются астрономами. Заметим, что энергичные нейтрино легче взаимодействуют с веществом, т. е. их легче обнаружить экспериментально. Если бы где-то в Галактике вспыхнула сверхновая II типа на расстоянии нескольких тысяч парсек от нас, и мы знали бы момент вспышки с точностью в несколько сотых секунды, то существующая на Земле приемная аппаратура (типа описанной в § 9) позволила бы эту вспышку зарегистрировать. Это имело бы огромное значение для понимания природы взрыва звезд. Пока, однако, о таком эксперименте мы можем только мечтать.

Спецификой структуры звезд со сравнительно небольшой массой на поздней стадии эволюции является наличие у них весьма плотного вырожденного ядра (см. § 11). В этом случае катастрофическое сжатие центральных областей звезды обусловлено поглощением вырожденных электронов ядрами, которое имеет место при достижении эволюционирующей звездой некоторой, достаточно высокой плотности, большей чем 10¹¹ г/см³ [ 44 ] . При этом образуется большое количество нейтронов. Так же как и в случае массивных звезд, не поддерживаемая давлением вырожденных электронов оболочка «обрушится» и начнет падать к центру звезды. Там, где эта оболочка ударится о сжимающееся ядро, произойдет сильный разогрев вещества (до 5

10¹¹ К). По этой причине возникнет мощное нейтринное излучение («урка-процесс»; см. формулу (18.1)), которое поглотится оболочкой. Тем самым оболочка сильно нагреется, и произойдет взрыв из-за ядерных реакций на легких элементах. В этой картине, однако, многое остается не ясным. Например, столь же возможно, что нейтрино образуется во всей толще ядра, которое должно быть достаточно горячим.

44

Для этого нужно, конечно, чтобы звезда за время существования Галактики успела проэволюционировать, т. е. ее масса должна быть не меньше, чем 1,2 1,3M

Реальная картина взрыва звезд сравнительно малой массы может сильно отличаться от намеченной выше схемы. Так, существенную роль может играть магнитное поле сжимающейся звезды и, особенно, вращение ее ядра. В процессе сжатия магнитное поле может достигнуть очень большого значения, порядка нескольких миллиардов эрстед (о причинах этого см. § 20). При некоторых условиях магнитное поле может переносить освобождающуюся при сжатии гравитационную энергию наружу, в оболочку, что вызовет сильный нагрев и детонацию последней. Вообще, магнитное поле в астрофизике довольно часто играет роль «приводного» ремня для транспортировки значительного количества энергии.

Теория взрыва звезд должна не только указать на причину взрыва в связи с предыдущей эволюцией звезды, не только оценить величину энергии взрыва, но и объяснить кривые блеска сверхновых. Почему, например, так похожи друг на друга кривые блеска сверхновых I типа? И почему столь разнообразны кривые блеска сверхновых II типа? Надо сказать, что эти вопросы для теоретиков оказались очень трудными. Один путь решения этой проблемы сводился к рассмотрению распространения сильной ударной волны, возникшей после детонации «мантии» в протяженной наружной оболочке звезды с уменьшающейся по мере удаления от ее центра плотностью. В таком случае свойства ударной волны определяются энергией взрыва и законом уменьшения плотности в наружной оболочке.

Выход сильной ударной волны на поверхность звезды и наблюдается как явление вспышки сверхновой. По этой причине изучение «кривых блеска» сверхновых позволяет, в принципе, понять характер взрыва и выяснить природу взрывающихся звезд.

Начиная с середины 60-х годов советские теоретики В. С. Имшенник и Д. К. Надежин со своими сотрудниками занимались нелегкими расчетами распространения ударных волн в наружных слоях сверхновых звезд. При этом сам механизм взрыва не конкретизировался — в этом не было нужды. Достаточно было только предположения о «мгновенном» (проще говоря — достаточно быстром) выделении нужного количества энергии в центре взрывающейся звезды, поскольку в случае распространения сильной ударной волны в среде с уменьшающейся наружу плотностью имеет место очень слабая зависимость газодинамических характеристик (давление, поле скоростей и пр.) от особенностей взрыва. Нужно только задать полную энергию взрыва и закон падения плотности в звезде.

Результаты таких расчетов оказались весьма интересными. Прежде всего, стало очевидным, что если взрыв происходит в компактной, достаточно массивной звезде (например, звезде главной последовательности), то кривые блеска качественно отличаются от наблюдаемых. Прежде всего, максимум блеска оказывается очень резким и длится не больше чем 20 минут, в то время как согласно наблюдениям длительность максимума 1—2 суток. Кроме того, максимальный блеск оказывается очень незначительным — в сотни раз меньше наблюдаемого.

Для того чтобы получить кривую блеска, более или менее сходную с наблюдаемой (т. е. существенно увеличить длительность в максимуме и светимость), необходимо предположить, что звезда перед взрывом является гигантом или, лучше, сверхгигантом. Расчеты показывают, что при сильном взрыве радиус звезды почти не увеличивается — происходит только сильный нагрев атмосферы звезды ударной волной. В принципе, вместо красного сверхгиганта с протяженной атмосферой можно принять модель звезды, у которой происходит медленное истечение вещества с ее поверхности, в результате чего вокруг звезды образуется весьма протяженная оболочка, причем ее плотность уменьшается наружу примерно обратно пропорционально квадрату расстояния.

Развитая советскими авторами «гидродинамическая» теория взрыва массивной звезды хорошо согласуется с современной теорией звездной эволюции. Согласно этой теории (см. § 12) фаза красного гиганта или сверхгиганта является неизбежной. Начало этой фазы связано с коренной перестройкой структуры центральных областей звезды, создающей предпосылки для гравитационного коллапса ее ядра. Следовательно, образование весьма протяженной оболочки и способного к коллапсу ядра происходят «в одну эпоху» жизни звезды. Однако совпадение этих явлений вовсе не обязательно должно быть строгим. Возможно и даже весьма вероятно, что сравнительно кратковременная фаза красного гиганта закончится до гравитационного коллапса ядра. В этом случае, после потери наружной, богатой водородом оболочки, образуется довольно компактная «гелиевая» звезда типа Вольфа — Райе. Явление гравитационного коллапса, конечно, не зависит от того, есть ли вокруг звезды протяженная водородная оболочка или нет. Мы приходим к представлению, что почти все массивные звезды типа Вольфа — Райе должны взрываться как сверхновые. Так как длительность фазы Вольфа — Райе у массивных звезд сравнима с длительностью фазы красного гиганта, следует ожидать, что число взрывающихся звезд типа Вольфа — Райе должно быть сравнимо с числом взрывающихся массивных сверхгигантов.