Звезды находятся в постоянной борьбе между гравитацией, пытающейся их сжать, и их внутренним теплом, пытающимся их раздуть. Большую часть времени эти две силы находятся в постоянном противоборстве.
Для такой звезды, как Солнце, равновесие нарушается в сумеречные годы. На краткий восхитительный миг она расширяется… затем сбрасывает свои внешние слои, оставляя лишь гравитационно сжатое ядро – белый карлик.
Но более массивные звезды заканчивают жизнь совсем по-другому. Когда приходит время им умирать, они делают это с фейерверком. Очень, очень большим фейерверком.
Термоядерный синтез внутри звезд
В ядре звезды давление и температура настолько высоки, что атомные ядра сжимаются и сплавляются. Этот процесс высвобождает энергию и создает более тяжелые элементы.
При ядерном синтезе для плавления каждого последующего элемента, как правило, требуются более высокие температуры и давления.
Звезды с меньшей массой, такие как Солнце, останавливаются на углероде. Как только он накапливается в ядре, судьба звезды предрешена.
Но если масса звезды примерно в 8 раз больше массы Солнца, в ее ядре может возникнуть температура, превышающая 500 миллионов градусов, и тогда углерод начинает плавиться. На самом деле не все так просто, но в конечном итоге углерод превращается в неон, магний и немного натрия.
Эти элементы накапливаются в ядре и еще больше его нагревают. Когда температура достигает примерно миллиарда градусов, неон начинает плавиться.
При слиянии неона образуется больше магния, а также некоторое количество кислорода. Они также накапливаются в ядре, ядро сжимается и нагревается до 1,5 миллиардов градусов, затем кислород сливается, образуя кремний. Затем ЭТО накапливается до тех пор, пока температура не достигнет примерно 2-3 миллиарда градусов, после чего кремний тоже начинает плавиться.
Среди всего прочего сплав кремния создает железо. И это проблема. Очень большая проблема. Как только в звезде появляется железо она превращается в бомбу. Бомбу замедленного действия.
Звезды с большой массой
Но прежде чем мы продолжим, давайте сделаем шаг назад. Что происходит с внешними слоями звезды? Что мы увидим, если окажемся рядом?
Если звезда родилась массивной, она провела свои дни, как голубая звезда главной последовательности. Такие звезды чрезвычайно яркие, и их можно увидеть на огромных расстояниях.
Однако массивная звезда меняется, когда у нее прекращается синтез водорода. Ее ядро сжимается, начиная вырабатывать гелий. Звезда набухает, но вместо того, чтобы стать красным гигантом, оно генерирует столько энергии, что становится красным сверхгигантом.
Это невероятно огромные звезды, некоторые более миллиарда километров в поперечнике! И они светятся. Например, Бетельгейзе в созвездии Ориона – красный сверхгигант и одна из самых ярких звезд на нашем небе. Но она ничто по сравнению с VY Большого Пса, одной из самых больших звезд имеющей ошеломляющие два миллиарда километров в поперечнике.
Для таких звезд есть специальный термин – гипергигант.
По мере того как ядро переключается от одной термоядерной реакции к другой, внешние слои реагируют сокращением и расширением, так что красный сверхгигант может уменьшиться и превратиться в СИНИЙ сверхгигант.
Ригель, звезда в созвездии Ориона, является голубым сверхгигантом, выделяющим энергии больше, чем Солнце в 100 000 раз.
Сплав железа
Но давайте вернемся к сути. Теперь звезда похожа на луковицу с несколькими слоями: в центре накапливается железо, окруженное плавящимся кремнием. Снаружи находится слой плавящегося кислорода, затем неона, затем углерода, затем гелия и, наконец, водорода.
Вы могли бы подумать, что массивные звезды должны существовать дольше за счет большего количества топлива. Но все дело в том, что ядра этих монстров намного горячее, элементы там плавятся намного интенсивнее и топливо заканчивается намного быстрее.
Звезда, подобная Солнцу, может превращать свой водород в гелий более 10 миллиардов лет. Но у звезды, вдвое большей массы водород закончится через 2 миллиарда лет. А у звезды с массой в 8 раз больше Солнца водород закончится всего за 100 миллионов лет или около того.
И каждый шаг в процессе слияния происходит быстрее, чем предыдущий. В случае, например, для звезды, с массой в 20 Солнц, синтез гелия продлится около миллиона лет, углерода – около тысячи, а синтез неона израсходует все свое топливо за один год! Кислорода хватит всего на несколько месяцев.
Кремний закончится очень быстро – примерно за один день. Да, да, всего за один день!
Подавляющая часть жизни звезды тратится на синтез водорода, остальное происходит в практически в мгновение ока.
Кремний сплавляется с целым рядом различных элементов, включая железо. И это железо накапливается в ядре, точно так же, как это делали все другие элементы раньше, и точно так же железное ядро сжимается и нагревается.
И тут начинается… БУМ!!!
На всех предыдущих стадиях термоядерного синтеза создается энергия. Эта энергия преобразуется в тепло, и это помогает поддерживать душераздирающее количество звездной массы.
Но железо – это другое дело. Когда оно сливается, оно фактически всасывает энергию, а не создает ее. Вместо того чтобы обеспечивать звезду энергией, оно ее забирает. Это ускоряет усадку, сжимая сердцевину и нагревая ее еще больше.
Но что еще хуже, при таких температурах и давлениях железное ядро поглощает носящиеся вокруг электроны, которые также помогают поддерживать стабильность звезды. И это наносит двойной удар, ибо оба основных средства поддержки звезды устраняются в одно мгновение — сплавление кремния с железом происходит так быстро, что занимает буквально доли секунды.
Звезду буквально сбивают с ног. Она уже не сжимается, она разрушается.
Гравитация ядра настолько сильна, что внешние слои обрушиваются на внутренние части со значительной долей скорости света. Всё обрушивается внутрь, уменьшаясь в размерах буквально за долю секунды!
Звезда обречена. И весь ад выплескивается наружу.
В этот момент происходит одно из двух – если масса звезды меньше 20 Солнц, она образует нейтронную звезду, если больше, коллапс продолжается дальше. Гравитация становится настолько мощной, что даже свет не может вырваться наружу.
Рождается черная дыра!
Но, что происходит, когда ядро разрушается и внезапно останавливается?
Ядро звезды, будь то нейтронная звезда или черная дыра, чрезвычайно мало при ужасающе сильной гравитации. Оно сильно притягивает материю звезды над собой. Этот материал обрушивается вниз с фантастической скоростью и сильно сжимается, яростно нагреваясь.
В то же время в ядре происходят две вещи. Пока это вещество падает внутрь, чудовищная ударная волна, созданная коллапсом ядра, движется наружу и врезается в поступающий материал. Энергия взрыва настолько безумна, что существенно замедляет падающий материал.
А второе – это сложная квантовая физика, развивающаяся в ядре, и генерирующая огромное число субатомных частиц, называемых нейтрино. Общая энергия, переносимая этими маленькими нейтрино почти за гранью разумного – ЗА ДОЛЮ СЕКУНДЫ они уносят в 100 раз больше энергии, чем Солнце произведет ЗА ВСЮ СВОЮ ЖИЗНЬ! Это безумное количество энергии.
Но самое интересное, что эти маленькие шустрые штучки практически неуловимы и почти не взаимодействуют с обычной материей – одно-единственное нейтрино может пройти сквозь триллионы километров плотного вещества, даже не заметив этого.
Но при коллапсе ядра образуется так много нейтрино, а материал, падающий на ядро, настолько плотный, что огромное количество нейтрино поглощается этим материалом.
Огромная волна нейтрино врезается во встречный материал подобно скоростному поезду, врезающемуся в ломтик теплого сливочного масла. Материал прекращает свое падение, меняет курс и вырывается наружу.
Звезда взрывается.
Остатки сверхновых
Это называется вспышкой сверхновой, и это одно из самых ужасных и в тоже время зрелищных событий, которые может предложить Вселенная. Огромная звезда разрывает себя на куски, а расширяющийся газ вырывается наружу с околосветовой скоростью.
Высвобождаемая энергия настолько велика, что ее буквально можно увидеть на полпути через Вселенную. Вспышка сверхновой затмевает все звезды в галактике своим одним светом.
Расширяющийся материал, называемый остатком сверхновой, образует фантастические формы. Самая известная – Крабовидная туманность, образованная звездой, взрыв которой можно было увидеть в 1054 году.
По мере того как остатки разрастаются и стареют, они становятся все более разреженными. У некоторых из них есть четко очерченные края, поскольку они проникают в вещество между звездами.
Есть ли какие-нибудь звезды способные причинить нам урон при превращении в сверхновую? Короткий ответ – нет. Несмотря на то, что сверхновые невероятно мощное явление, космос огромен.
Сверхновая должна находиться по крайней мере в 100 световых годах от нас, чтоб мы смогли бы ощутить какие-либо негативные эффекты.
Ближайшая звезда, которая может взорваться таким образом, – это звезда Спика в созвездии Девы. Но эта звезда находится на самом нижнем пределе массы для превращения в сверхновую и есть вероятность, что она вообще не взорвется.
Бетельгейзе, безусловно – да, но она слишком далеко, чтобы причинить нам хоть какой-то вред.
