Інша наднова

Оригінал: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/The%20Website/other%20super.html

Всесвіт — це дивовижне місце, тому не дивно, що існує два способи створити наднову. Ці два типи були ідентифіковані на початку 20-го століття, коли астрономи помітили дуже дивну річ: вибухи наднових або виявляють багато водню в своїх спектрах, або зовсім відсутні . Це друге спостереження досить дивне. Велика кількість водню — це те, чого ви очікуєте під час вибуху зірок, тому що багато водню — це те, що є у зірок. Наднові зірки, які ми щойно обговорювали, безсумнівно, викидають велику кількість водню. Астрономи в той час не були зовсім впевнені, що з цим робити, тому вони вирішили створити деякі мітки: вони винахідливо назвали вибухи без водню типу I, а (більш звичайні) з воднем типу II.

Ми щойно бачили, як виникає наднова ІІ типу. Тепер давайте обговоримо тип I.

Наше Сонце виявляється однією зіркою. Наше обговорення зіркової еволюції відбувалося з мовчазного припущення, що всі зірки однаково ізольовані. Це вірно для багатьох зірок – але. Коли зірки народжуються, можна отримати лише одну зірку, якщо газова хмара колапсує симетрично. Якщо хмара руйнується у вигляді грудок або має витягнуту форму, то зазвичай ви отримуєте систему з кількома зірками. Найпоширенішою формою кратної системи є подвійна або подвійна зіркова система, де зірки обертаються одна навколо одної, подібно до тягарців на обох кінцях гантелі. Однак кілька систем, що включають три, чотири і навіть шість зірок, не є рідкістю. В околицях Сонця зі 148 зірок, які, як відомо, знаходяться в межах 22,7 світлових років (не враховуючи коричневих карликів), 73 є одиночними зірками, 23 є подвійними зірками, 8 є потрійними зірками, а одна — п’ятірка, що дає загалом 75 зірок у кількох системах. Іншими словами, зірки, що обертаються навколо інших зірок, не є рідкістю. Насправді їх більше, ніж поодиноких зірок!

Яке відношення це має до еволюції зірок? Для більшості кількох систем нічого. Відстані між подвійними зірками можуть сильно відрізнятися: від зірок, розташованих настільки далеко одна від одної, що відстань потрібно вимірювати світловими тижнями (їм можуть знадобитися мільйони років, щоб завершити одну орбіту), до зірок, розташованих настільки близько одна до одної, що їхні атмосфери фактично перекриваються! (Останні зі зрозумілих причин називаються контактними подвійними системами .) Але зазвичай подвійні зірки розташовані на відстані приблизно такій, як відстань між Сонцем і зовнішніми планетами. Це відповідає відстані близько 20 астрономічних одиниць. (Одна астрономічна одиниця — це відстань від Землі до Сонця, або 93 мільйони миль.) На таких відстанях кожна зірка може пройти свою нормальну еволюцію, ніби іншої зірки немає, і тому вони діютьніби вони самотні. Усі множинні зоряні системи в межах 40 світлових років або близько того від Землі потрапляють у цю категорію.

Але час від часу можна знайти подвійні зірки, які розділені лише кількома десятими астрономічної одиниці. Як обговорювалося на попередній сторінці, коли зірки досягають своєї фази червоного гіганта, вони перетворюються на роздутих гігантів розміром приблизно з орбіту Землі, яка становить одну астрономію. Це означає, що ви можете отримати зірки, які більші за подвійну систему, в якій вони знаходяться, і результат буде - складним. На цю тему написано цілі бібліотеки дуже товстих книжок із вузькими полями та дрібним шрифтом, і ми все ще не дуже добре розуміємо близькі двійкові файли. Замість величезної кількості подробиць дозвольте мені окреслити пару «репрезентативних» сценаріїв, які відображають смак того, що може статися.

Контактний двійковий файл

Припустимо, ми створюємо подвійну зіркову систему, що складається з нашого Сонця та іншої, більшої зірки, яку я назву «Джамбо». Ми дамо Джамбо масу 3,2 сонячної. Зірка головної послідовності такої маси матиме розпечену до білого температуру на поверхні приблизно на 4000 К° гарячішу, ніж Сонце, радіус приблизно в 3,3 рази більший, і вона буде приблизно в сто разів більш яскравою. Ми розмістимо дві зірки на орбіті одна навколо одної на відстані 0,1 астрономічних одиниць, або 9,3 мільйона миль, що становить приблизно чверть відстані між Сонцем і планетою Меркурій. Це аж ніяк не так близько, як можуть бути зірки, але досить близько для наших цілей. Природно, оскільки вони утворилися з однієї туманності, обидві зірки абсолютно однакового віку і мають однаковий хімічний склад.

На початку дві зірки поводяться так, ніби вони самотні. Якщо створити масштабну модель, на якій Сонце зображено чотиридюймовою кулею, Джамбо буде 13-дюймовою кулею, розташованою на відстані трьох з половиною футів. Це достатньо далеко одне від одного, щоб їхню структуру можна було повністю визначити, виходячи з вимог звичайної гідростатичної рівноваги. За винятком руху в просторі, дві зірки не мають істотного впливу одна на одну. Вони швидко обертаються по орбіті з періодом всього п'ять з половиною днів.

Однак через триста мільйонів років щасливе співіснування закінчується. Набагато більша яскравість Джамбо означає, що його центральне ядро ​​вже вигоріло, хоча життя Сонця тільки почалося. Джамбо починає залишати основну послідовність і підніматися по сходах червоного гіганта. Але на відміну від однієї зірки, Джамбо не може просто створити красиву планетарну туманність і піти у безвісток. Коли його роздута атмосфера розширюється назовні, вона повинна досягти орбіти Сонця, а потім Сонце починає втягувати її.

Наступні кілька сотень мільйонів років надзвичайно складні. Спочатку Сонце поглинає весь газ, що досягає його, але згодом швидкість, з якою атмосфера Джамбо розширюється, перевершує Сонце, і обидві зірки огортаються єдиною хмарою у формі ромба. У цій конфігурації частина атмосфери Джамбо відривається, обертається й, зрештою, здувається у глибокий космос. Можливі ускладнення, які можуть виникнути в такій подвійній системі, включають коливання або хвилястість у газовій хмарі, нерівномірне нагрівання хмари через пил, збої через сонячні бурі на зірках тощо. Хаос і плутанина тривають, поки Джамбо не зазнає спалаху гелію, у цей момент його атмосфера раптово руйнується, а потім масообмін припиняється. Поки Джамбо знову не розшириться на наступній фазі червоного гіганта, коли все це повториться. Більш-менш.

Ми не дуже добре розуміємо цей процес. Однак спостереження показують, що в такій системі Сонце, ймовірно, поглине приблизно дві третини атмосфери водню/гелію, яка його досягає. Зміщення імпульсу, викликане цією передачею, спочатку штовхає дві зірки ближче одна до одної, але коли Сонце досягає тієї ж маси, що й Джамбо, воно змінює напрямок і розсовує їх. Тим часом газ, який видувається із системи, зменшує гравітаційне тяжіння між двома зірками, таким чином також спонукаючи їх розширювати по спіралі. Потужно протидіючи цьому, магнітні поля двох зірок взаємодіють із гарячою газовою хмарою, як весла, що кружляють у воді, яка діє як гальмо, уповільнюючи їх обертання та таким чином спонукаючи їх спірально зближуватися. Хоча деталі можуть бути туманними, Немає сумніву, що в багатьох випадках зірки наприкінці масопередачі опиняються набагато ближче одна до одної, ніж на початку. Оскільки це саме той сценарій, який нас цікавить, саме його ми і розглянемо.

Коли пил осяде (або, мабуть, слід сказати, коли газ розвіється), Джамбо перетворився на низькорослого білого карлика з приблизно 0,7 маси Сонця. Маса Сонця збільшилася в 1,5 рази більше його початкової маси, і таким чином воно перемістилося вздовж головної послідовності в зовсім інший зоряний клас. Температура його поверхні тепер на 1000 °K вища, ніж була раніше, і тепер він спалахує в чотири рази більше, ніж раніше. У масштабній моделі цієї нової системи буде використовуватися п’ятидюймова куля для представлення Сонця, цятка, менша за крапку на цій сторінці, для представлення зараз досить погано названого «Джамбо», і вони будуть, можливо, на відстані одного фута. Тепер Сонце і Джамбо обертаються одне навколо одного лише за два дні.

Приблизно на наступні два мільярди років вони знову осідають у домашньому спокої та просто обертаються на орбіті. Оскільки їхній орбітальний період такий короткий, вони встигають здійснити близько 360 мільярдів циклів (порівняно з нікчемними 4,4 мільярдами циклів, які Земля здійснила навколо Сонця), тож можна сказати, що така подвійна зірка системи нестабільні або короткочасні. Тим не менш, годинник цокає.

Два мільярди років — це приблизно те, що має зірка з масою 1,5 сонячної маси до того, як вона вичерпає водень у своєму ядрі та почне еволюціонувати в червоного гіганта. Це саме те, що робить "Сонце" в нашій двійковій системі. Але поворот — це чесна гра, і коли Сонце розширюється і його зовнішня атмосфера досягає білого карлика, інтенсивна гравітація карлика починає втягувати газ, як пилосос. На радість астрономам у всьому світі, на даний момент існує так багато шляхів, якими може йти подвійна система, що ми, ймовірно, зможемо зберегти роботу всіх в астробізнесі протягом наступних двадцяти років, просто опрацьовуючи деталі. Дуже тонкі фактори, включаючи їх точне розділення, точні маси двох зірок, ексцентриситет їхніх орбіт, швидкості їх обертання та навіть напруженість їхніх магнітних полів.

Подвійна зірка, як видно з уявної планети.

Дозвольте мені окреслити кілька екстремальніших (і тому легше зрозумілих) можливостей. Якщо білий карлик опиняється лише на зовнішньому краю атмосфери червоного гіганта, то він може утворити закручений акреційний диск, де водень повільно обертається вниз і м’яко «м’яко приземляється» на поверхню білого карлика – дуже нагадує вода, що крутиться в каналізацію, хоча фізика значно інша. (Ілюстрація праворуч — це концепція художника щодо процесу.) Величезна поверхнева гравітація карлика стискає водень у надщільний «океан» глибиною лише кілька метрів, але вагою 50 тонн на кварту. Океан плавно покриває всю зірку.

Потік у цей океан може тривати від кількох тисяч років до кількох сотень тисяч, залежно від того, наскільки швидко білий карлик знімає газ з атмосфери червоного гіганта. Але є проблема: водень нестабільний при стисненні до щільності білого карлика. Я присвятив повний абзац на попередній сторінці поясненню того, як важко досягти синтезу водню, але це за нормальних обставин. Поверхня білого карлика не є особливо нормальним місцем. Насправді водневий синтез досить легко досягти для білого карлика. Коли електроно-вироджений водневий «океан» карлика досягає глибини близько 200 метрів, тиск на дні стає настільки високим, що десь на зірці розміром з планету неминуче почнеться синтез водню.

Подібно до того, як ядро ​​зірки зазнає гелієвого спалаху, електроно-вироджений водень на білому карлику не може розширюватися й охолоджуватися. Таким чином, уловлене тепло від плавлення водню лише пришвидшує реакцію, і перш ніж ви можете сказати «спалах водню», ядерна вогняна буря охоплює всю зірку. Як планета з бензиновим океаном, білий карлик миттєво спалахує (ядерний синтез). Ядерне пекло горить тижнями, коли карлик вражаючим стрибком досягає яскравості, що в 100 000 разів перевищує сонячну. Такі події називаються новими, що з латині означає «новий», тому що, як видно із Землі, вони виглядають як нові зірки, які раптово з’явилися. (Саме від нових ми отримали назву для їхніх ще більших двоюрідних братів, наднових.) Нові напрочуд поширені, тому що, на відміну від наднових, вантажівка, яка їх привозить, не вибухає в кінці пробігу. Після того, як вогняна буря закінчилася, білий карлик практично не постраждав, і єдиний знак, що залишився від нової, — це невелика оболонка гарячого газу, що розширюється. Газ — це «попіл» водневого океану, остаточно нагрітий до точки, з якої він може вийти. Але червоний гігант все ще там, і його атмосфера все ще обертається вниз на карлика, тому весь процес починається спочатку. Залежно від точних параметрів системи.

На протилежному полюсі, якщо потік газу між зірками дуже великий, водень більше нагадує паливо для зварювального пальника, ніж вода в тихому океані. Ключовий фактор полягає в наступному: причина того, що газ, що тече до білого карлика, спочатку утворює акреційний диск, як показано вище, полягає в тому, що він має іншу швидкість, ніж карлик. Газ фактично намагається вийти на орбіту навколо карлика. Однією з головних проблем астрофізиків-теоретиків з акреційними дисками є те, що предмети, що рухаються по колу, мають великий імпульс, і ви не можете нічого зняти з орбіти, якщо не зменшите його імпульс. (Ісаак Ньютон дуженаполягають на цьому: імпульс не може просто зникнути.) На відміну від космічного човника, акреційні диски не оснащені ретро-ракетами, тому для розсіювання імпульсу обертання та виведення водню потрібно задіяти інші механізми. Звичайний – фрикційний. Ідея полягає в тому, що газ у диску рухатиметься з різними швидкостями залежно від того, наскільки далеко він знаходиться від карлика, і тертя між потоками може сповільнити газ, щоб він міг опуститися.

Але для роботи таких механізмів потрібен час. Якщо вхідний потік газу надто високий, ви дуже швидко досягнете галактичної версії закритого дренажу. Оскільки газ накопичується в акреційному диску швидше, ніж він може вийти, диск стає все товщим, масивнішим і гарячішим. Набагато гарячіше. Жорстока гравітація білого карлика створює бурхливий турбулентний диск із швидкістю газу, що перевищує 1000 миль/секунду. Тертя справжнього класу галактики змушує диск світитися до білого розжарення до 15 000 K° і шипіти ще гарячішими гарячими точками, які можуть досягати 70 000 K°. Рясні спалахи рентгенівського випромінювання та жорсткого ультрафіолетового випромінювання виливаються з бурлячих газів, забезпечуючи майже необмежену сировину для докторських дисертацій з астрофізики.

Тим часом внизу білого карлика з неймовірної грози над ним падає надзвуковий дощ, розпечений до білого, розжарені до білого краплі стікають зі швидкістю, у п’ять тисяч разів більшою за швидкість рушничної кулі, під дією величезної гравітації карлика. Гарячий водень запалюється практично при контакті, створюючи кільце ядерного вогню навколо екватора білого карлика. Такі системи білого карлика/аккреційного диска можуть «пульсувати» і вимикатися, або вони можуть хлюпати й кашляти безладно, або вони навіть можуть досягти рівноваги й світити досить стабільно (все можливо). Середня яскравість таких карликів, як правило, досить висока, приблизно в 100 разів більша за сонячну, тому вони іноді яскравіші за червоні гіганти, що живлять їх!

Але страшно те, що, оскільки водень постійно горить у міру надходження, він не може зібратися в електрон-вироджений океан і вибухнути, викидаючи свій гелієвий «попіл» у космос, як це робить нова. Якщо всі фізичні параметри правильні, і якщо потік газу з червоного гіганта продовжується, білий карлик поступово покривається гелієвою мантією, що стає все важчою.

Повертаючись на мить до нашої модельної системи, нагадаємо, що Джамбо зараз є білим карликом із масою 0,7 сонячної, а Сонце — зіркою з масою 1,5 сонячної, яка намагається стати червоним гігантом. Або, інакше кажучи, Сонце — це зірка, яка намагається виділити достатньо газу, щоб приєднатися до Джамбо як білого карлика, тому що це природна мета для червоного гіганта. Як одна зірка, еволюція Сонця призвела б до випромінювання планетарної туманності з масою приблизно1,5 - 0,6 = 0,9 сонячної маси. Але як подвійна зірка, газ, який міг би утворити туманність, утворюється Джамбо.

Ефективність передачі газу в подвійних системах білих карликів і звичайних зірок становить майже 100%. Якщо додати 0,9 сонячної маси газу, який Сонце намагається вивільнити, до маси Джамбо 0,7 сонячної, то отримаємо 1,6 сонячної маси. Що занадто багато.

Вже небезпечно стиснута до розмірів Марса, Джамбо не може поглинути весь водень, що витікає з Сонця. Зрештою вона повинна досягти критичної межі в 1,4 маси Сонця, передбаченої Чандрасекаром у 1931 році. Після сотень тисяч років накопичення маси має настати день, коли за менший час, ніж потрібно, щоб спалахнути свічка, Джамбо нарешті та катастрофічно зруйнується.

А потім зупиняється! На відміну від центру червоного надгіганта, Джамбо не складається з 1,4 сонячної маси заліза. Джамбо майже повністю складається з гелію, вуглецю та кисню, які (на відміну від заліза) цілком готові вивільнити енергію термоядерного синтезу. Страшенний тиск колапсу Чандрасекара миттєво запалює всю зірку, ніби це найважча термоядерна бомба в галактиці, що, по суті, і є. На частку секунди матерія зависла на волосині, оскільки сила тяжіння намагається розчавити Джамбо в нейтронну зірку, а лють ядерного синтезу намагається випарувати Джамбо в розжарений газ.

І переможець — ядерний синтез! В одному апокаліптичному вибуху Джамбо повністю розбитий і припиняє своє існування. Вся маса зірки перетворилася на радіоактивну хмару, настільки гарячу, що вона буквально сяє світлом 100 мільярдів зірок. Весь газ викидається в космос зі швидкістю десятків тисяч метрів на секунду. Приблизно половина його тепер складається з заліза, тому що це частка зірки, яка змогла злитися до самого дна «ядерної свердловини» за кілька секунд після вибуху. (Наднові типу I є причиною, чому на Землі так багато заліза порівняно з іншими металами. Наднові типу II, навпаки, подрібнюють більшу частину свого заліза в нейтронні зірки і не діляться ним з рештою галактики.)

Примітно, що такий вибух може спричинити щось із діаметром менше половини Землі. Також примітно, що наднові типу I та типу II мають майже однакову яскравість і створюють сліпучі світлові шоу, які тривають майже однаково довго, тому їх так легко сплутали астрономи початку століть. Цей збіг стає ще більш дивовижним, коли ви замислюєтеся про те, що наднові типу II насправді приблизно в 100 разів потужніші за наднові типу I! Але оскільки приблизно 99% енергії в надновій ІІ типу випромінюється у вигляді невидимих ​​нейтрино, які відлітають від зірки та мчать у космос, щоб їх ніколи більше не побачити ,енергія типу II майже така ж, як і типу I. Два типи навіть приблизно однакові за частотою: спостережувані наднові складаються приблизно з 60% типу I та 40% типу II.

Це повертає нас до питання, з якого це почалося, таємничої різниці в водневих спектрах двох типів наднових. Безсумнівно, проникливий читач уже зрозумів, як так виходить, що наднові типу I можуть вибухати, але не показувати водню в спектрометрі: білі карлики, що руйнуються, його не мають. Енергія синтезу забезпечується виключно гелієм і більш важкими елементами. 1

Що стосується Sun, то його, напрочуд, не турбує яскравий відхід Джамбо. Хтось може подумати, що вибух, настільки лютий, що він може затьмарити цілі галактики, і станеться буквально за межами її атмосфери, випарує Сонце лише на пам’ять. Однак це не так. Зірки дуже масивні і (вже) дуже гарячі; навіть вибух наднової поряд з ними не може зробити більше, ніж здути частину їхньої зовнішньої атмосфери. Сонце втратить, мабуть, лише 15% своєї маси, і більшу частину цієї маси воно все одно втратило б на останніх стадіях свого життя як червоного гіганта. Як би дивно це не здавалося, зірка-партнер у надновій I типу майже не постраждала від вибуху.

За винятком того, що у нього більше немає партнера. Коли всі складні явища газоперенесення закінчуються, Сонце перебудовує свої справи і стає цілком нормальною зіркою після червоного гіганта. Зрештою він йде на пенсію як стійкий і респектабельний білий карлик, а не такий поганий, який вибухає і зникає.

1 – Насправді той факт, що наднові типу I взагалі НЕ виявляють водню, означає, що цей сценарій може бути не зовсім правильним, тому що навіть невелику кількість водню, що вилітає із зірки-партнера, слід виявити. Одна з теорій полягає в тому, що зірка-партнер фактично позбавляється всього водню перед вибухом наднової зірки, і остаточний удар відбувається завдяки витоку гелію з ядра зірки-партнера, а не водню.

This translation has been provided by ProThesis Writer to bring complex topics closer to international audiences. ProThesisWriter stands out as an online thesis writing service where every academic challenge becomes a masterpiece. With a team of professional writers on board, we commit to guiding you from topic selection to the final draft, ensuring that your thesis stands up to the highest academic standards.