Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Вот что важно: считается, что все сверхновые типа Ia имеют одинаковую внутреннюю светимость на своем максимуме. Как мы видели, если известна истинная внутренняя светимость объекта, ее можно сравнить с блеском, который мы видим, и определить, насколько далеко расположен этот объект. Другими словами, сверхновые типа Ias – это «стандартные свечи», как и цефеиды. И это невероятно полезно: так мы получаем возможность измерять расстояния для галактик далеко за пределами Местной группы и таким образом калибровать закон Хаббла по космологическим расстояниям.

За последнее десятилетие две группы астрономов во главе с Солом Перлмуттером и Брайаном Шмидтом провели совместную работу по обнаружению и измерению сверхновых в большом количестве отдаленных галактик. Но когда данные нанесли на график Хаббла, отражающий зависимость расстояния от красного смещения, было сделано удивительное открытие: отдаленные сверхновые звезды выглядели более тусклыми, чем можно было бы ожидать, если бы мы выполнили простую линейную экстраполяцию закона Хаббла. Что это могло значить? Объяснить тусклость далеких сверхновых могло то, что они располагаются дальше, чем это предсказывает наивная экстраполяция закона Хаббла. Результаты наблюдений сверхновых показали, что скорость расширения увеличивается – значит, сверхновые выглядят более тусклыми при данном красном смещении. Происхождение этого ускорения получило название «темная энергия», точная природа которой неясна. Мы не будем здесь много говорить о темной энергии, потому что она не слишком сильно (на данный момент) влияет на эволюцию отдельных галактик. Разумеется, исследование и открытие ускоряющейся Вселенной были настолько важными, что Перлмуттеру и Шмидту наряду с Адамом Риссом – одним из главных участников открытия, – в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

С точки зрения космолога сверхновые – это полезные события, которые используются в качестве инструментов, позволяющих нам понимать геометрию и историю расширения Вселенной. Сверхновые также играют значительную роль в эволюции галактики. Без них нас, наверное, не было бы здесь. Ключ – их взрывная сила. Звезды – это ядерные печи, где формируется большинство элементов, не появившихся в процессе нуклеосинтеза вскоре после Большого взрыва. Звездный нуклеосинтез происходит в ходе ядерного синтеза в ядрах звезд, где более легкие элементы объединяются в более тяжелые. Ядерная реакция высвобождает энергию, которую мы воспринимаем как звездный свет. В течение многих лет мы пытались, имитируя физику звезд, заставить ядерный синтез работать на Земле в качестве практичного источника энергии, но создание термоядерного синтеза в промышленном масштабе – масштабная технологическая задача. Это произойдет, хотя, возможно, и не в течение ближайших десятилетий, и на данный момент нам придется обойтись более грязной «кузиной» термоядерного синтеза – расщеплением.

Когда сверхновая гибнет, взрыв быстро распространяется наружу, как надувающийся воздушный шар, врезаясь во все, что находится поблизости, сметая тяжелые элементы и рассеивая их в окружающем пространстве. Со временем благодаря непрерывной детонации других сверхновых (скорость появления сверхновых звезд в галактике связана со скоростью, с которой в ней образуются новые звезды) межзвездная среда обогащается новыми элементами – металлами, которые сформировались в звездах. Взрывные волны сверхновых наряду с дующими с поверхностей звезд ветрами, вращением или другими внутренними движениями самой галактики приводят к перемешиванию этой обогащенной межзвездной среды.

Облако водорода, обогащенное металлами, может снова разрушиться, образуя новые звезды. Водорода чрезвычайно много: он не расходуется полностью «за один раз», поэтому образование звезд в галактиках может поддерживаться довольно долго. Звезды, которые образуются в таком облаке, будут сильнее обогащены металлами, чем предыдущее поколение. Кроме того, эти новые звезды после своего рождения окружены пылевыми дисками. Таков процесс происхождения новых солнечных систем; внутри этих пылевых дисков могут образовываться новые планеты. Наша Солнечная система сформировалась точно так же. Такие планеты, как Земля, состоят в основном из железа и кремния; как мы знаем, Земля содержит и множество других элементов, из которых наиболее важные для нас – углерод и кислород, делающие жизнь такой, какой мы ее знаем.

Изящные линии розово-синей туманности на изображении – это остатки сверхновой Вела, взорвавшейся более 10 000 лет назад в нашей Галактике. Сверхновые – это бурная гибель массивных звезд; они являются участниками распределения в межзвездной среде материала, образовавшегося в ходе эволюции звезд. Также они отвечают за сбрасывание энергии в непосредственно прилегающие к ним области, когда сила взрыва разгоняет окружающие газ и пыль. Это может расчистить часть газа вокруг областей звездообразования и, следовательно, помочь регулировать образование новой звезды за счет контроля количества плотного газа, поддающегося гравитационному разрушению. Совокупным эффектом многих сверхновых, взрывающихся в галактике, может быть галактический ветер, который вытесняет из нее газ и пыль. Сверхновые настолько ярки, что их можно наблюдать на космологических расстояниях

Светящаяся газовая оболочка, которая является остатком сверхновой, SNR 0509-67.5 – еще одна демонстрация того, как элементы, генерируемые в звездах, могут рассеиваться в межзвездном пространстве

Когда примерно через 5 млрд лет наше Солнце сожжет водородное топливо и умрет, оно не станет сверхновой (для этого оно недостаточно массивно), а превратится в расширяющегося красного гиганта: Солнце поглотит и сожжет все ближние планеты, а также, скорее всего, уничтожит или как минимум серьезно повлияет на дальние газовые гиганты. В конце концов благодаря своим смертельным конвульсиям и потере внешних слоев за 10 млрд лет Солнце обогатит нашу солнечную среду новым поколением тяжелых элементов, что немного увеличит металличность Млечного Пути. Однажды, в далеком будущем, некоторые элементы из этих материалов могут попасть в новую планетарную систему и, возможно, в совершенно новую экосистему. Люди смогут избежать судьбы Солнечной системы, научившись межзвездным путешествиям или хотя бы отправившись в безопасное место между звездами. У нас в запасе есть еще около 5 млрд лет, чтобы придумать, как сделать это.

Эта почти круглая оболочка представляет собой остаток сверхновой SN 1006, показанный в радио (красный), видимом (желтый) и рентгеновском (синий) свете. Изображение демонстрирует расширяющуюся оболочку горячих газов, унесенных взрывом звезды в нашей Галактике (рентгеновские лучи показывают излучение самого горячего газа). Звезда взорвалась около 1000 лет назад, и теперь продукты звездной эволюции – тяжелые, а также другие элементы, выкованные в самом сердце взрыва, – рассеиваются обратно в межзвездную среду. Таким образом, сверхновые играют роль в обогащении межзвездной среды галактик, которая должна быть включена в новые поколения звезд, где тяжелые элементы могут образовывать такие объекты, как планеты и человечество. Их взрывная сила также выбрасывает энергию в межзвездную среду, и эта обратная связь может управлять мощными галактическими ветрами, которые переносят материю от мест образования звезд и, в экстремальных случаях, от диска самой галактики