Звездная ярость сверхновых
Первыми, кто это заметил, были профессиональные астрономы.
Исследователи в японской обсерватории наблюдений за нейтрино Super-Kamiokonde были потрясены, когда их детекторы вспыхнули как новогодние елки. Такие невиданные показания побудили искать неисправности в аппаратуре, потому что, несомненно, ни одно астрономическое событие не могло бы породить столько призрачных субатомных частиц — даже Солнце, самый яркий объект на небе, создает так мало нейтрино, что приборы в обсерватории практически не регистрируют их. Для такого мощного результата нейтрино должно было быть миллионы! Спустя почти два часа колдовства с приборами ученые убеждаются, что поток нейтрино был реальным, но уже слишком поздно... да и те два часа все равно не помогли бы.
Через несколько минут после события автоматические обсерватории на орбите Земли оживляются. Астрономические спутники, наблюдающие за высокоэнергетическим светом, таким как рентгеновское и гамма-излучение, отмечают рост числа регистраций. По мере того как они разворачиваются, чтобы сфокусироваться на источнике частиц, их детекторы один за другим пересыщаются фотонами, потому что безжалостное излучение только усиливается. Спустя несколько минут затопленные светом спутники слепнут и теряют след.
Внизу, на ночной стороне планеты, тысячи астрономов-любителей, водителей-дальнобойщиков, полицейских и обычных полуночников замечают зарево на небе. Оно разгорается с каждой минутой. Некоторые астрономы-любители сначала принимают его за след самолета или отблеск солнечного света, отраженного от спутника. Но многие сразу же понимают, что происходит, и бросаются регистрировать данные. Другие отправляют электронные письма, оповещая астрономов во всем мире: «Доставайте свои телескопы! Сверхновая!»
Но письма не нужны. В течение нескольких минут «новая» звезда разгорается настолько ярко, что затмевает другие звезды на небе. Как Солнце на восходе или полная Луна, сверхновая озаряет небеса вокруг себя.
Астрономы переполнены ликованием. В нашей Галактике сверхновые, видимые невооруженным глазом, не наблюдались уже 400 лет, а эта, вне всякого сомнения, станет рекордом.
Но ликование их длится недолго. Прямо во время наблюдений все их механизмы внезапно отключаются. Изображения и данные — все потеряно, когда умирает компьютер, управляющий телескопом. И прежде чем им удается разобраться в проблеме, отключается все электричество. Один астроном выходит наружу, чтобы узнать, в чем дело, и вдруг замечает, что пропало зарево от находящегося поблизости города. Обычно свет от тысяч уличных фонарей, зданий, прожекторов, вывесок автосалонов и жилых домов мешает разглядеть менее яркие звезды на небе. Невероятная ирония судьбы — электропитание везде отключено, и в первый раз за многие годы небо по-настоящему темное, но наблюдения невозможны, потому что питание пропало и у него. Его телескоп бесполезен.
Он смотрит на звезды и через несколько минут осознает, что небо уже не такое темное как раньше: с небес на него смотрит пронзительный глаз сверхновой в ореоле синего света. Ни одна другая близкая звезда не выдерживает с ним конкуренции.
Внимание астронома отвлекает другой яркий светящийся объект в вышине, медленно плывущий по все светлеющему небу. Он понимает, что это Международная космическая станция, и расплывается в улыбке от удовольствия увидеть хоть что-то привычное.
Но он не осознает, что астронавты на станции мертвы. Если бы он об этом знал, ему точно было бы не до смеха. Хотя ведь и все на Земле через несколько лет будут мертвы. Люди были обречены с того самого мгновения, когда первые лучи света сверхновой коснулись атмосферы.
Гамма-излучение от сверхновой разрушает озоновый слой, и очень быстро от него остается лишь половина. Когда утром взойдет Солнце, его ультрафиолетовые лучи будут проходить прямиком сквозь атмосферу, практически не ослабевая. Тяжелые солнечные ожоги будут наименьшей из проблем на Земле, потому что УФ-излучение убивает фитопланктон в океане, основу пищевой цепочки. Животные, питающиеся фитопланктоном, обнаруживают, что их источник пищи всего за несколько дней уменьшается в объемах и в конце концов исчезает, а еще несколько дней спустя с той же угрожающей проблемой сталкиваются животные, которые питаются теми животными. Вымирание видов распространяется по всей пищевой цепочке и остановится, только когда дойдет до самого верха: до нас.
Астрономических событий, вызывающих массовое вымирание, не было уже очень давно. Но сейчас происходит именно такое.
Рождение звезды
Если в ясную темную ночь выбраться под открытое небо где-нибудь подальше от городских огней, можно увидеть небеса, усеянные тысячами звезд. Звезды могут казаться неизменными, они всегда на одном и том же месте — некоторые даже называют ночное небо «звездный купол», подразумевая прочность и постоянство. Да, звезды восходят и заходят, но это движется Земля, а не они. Они также мерцают, но опять же проблема в нас, а не в звездах, — они мерцают, потому что воздушный океан у нас над головами колеблет их свет.
Даже если вы будете выходить на улицу ночь за ночью, вы вряд ли увидите какие-либо изменения в звездах. Наблюдатель с острым глазом может заметить, что яркость некоторых звезд слегка и периодически изменяется; на протяжении дней и недель эти так называемые переменные звезды то становятся ярче, то тускнеют. Но сами звезды ни появляются, ни исчезают и кажутся вполне постоянными, как и само ночное небо.
Однако Вселенная обманчива. Изменения происходят, и порой они могут быть очень эффектными. 4 июля 1054 г. в созвездии Тельца на небе появилась новая звезда. Китайские астрономы зарегистрировали эту «звездную гостью», отметив, что она казалась ярче, чем даже планета Венера, уступающая только Солнцу и Луне на нашем небе. Письменные свидетельства о появлении этого нового объекта можно найти во всем мире, и, несмотря на то что они разрозненные и порой противоречивые, в реальности события сомнений не возникает.
Сегодня, тысячу лет спустя, если вы возьмете бинокль, чтобы рассмотреть участок неба между рогами быка в созвездии Тельца, возможно, вы заметите бледное размытое пятно, определенно не являющееся звездой. Небольшой телескоп поможет вам убедиться в этом. Большой телескоп, особенно оборудованный камерой с режимом длительной выдержки, покажет, что этот объект — газовое, волокнистое облако, похожее на остатки взрыва. Действительно, снимки, сделанные с многолетними интервалами, свидетельствуют о том, что газовое облако (астрономы называют его туманностью, от слова, означающего «облако» на латыни) расширяется; за все время наблюдений волокна и узлы в облаке явно сместились от центра наружу. Если мысленно обратить это движение вспять, то будет понятно, что весь этот газ вышел из одной точки в небе, положение которой отмечено звездой, находящейся очень близко к центру облака, что говорит о единичном взрыве. Измерив скорость расширения, можно приблизительно определить дату события. Примечательно, что эта дата — середина XI в. — подозрительно близка к дате появления китайской звездной гостьи. Сегодня ни один астроном на планете не сомневается, что эти два события на самом деле связаны.
То, что увидели китайцы, было одним из крупнейших и зловещих астрономических событий: вспышка сверхновой. В то время оно, должно быть, не показалось таким уж страшным — в конце концов, это был всего лишь свет в небесах! Но при более пристальном рассмотрении открываются значимость и масштабы события.
Газовое облако, которое называется Крабовидная туманность, потому что, если смотреть в небольшой телескоп, оно как будто бы напоминает ракообразное, — это расходящийся след от того звездного взрыва. За следующую 1000 лет это облако увеличилось до триллионов километров в диаметре. Газ по-прежнему адски раскален; он разогрелся до нескольких тысяч градусов ударными волнами, образующимися при столкновении расширяющегося на сверхзвуковых скоростях облака с более холодным окружающим газом. Центральная звезда, тлеющий уголек, оставшийся после взрыва, также продолжает подпитывать это облако энергией.
По оценкам, расстояние до Крабовидной туманности составляет 6500 световых лет, или примерно 60 квадриллионов километров (60 000 000 000 000 000), и даже на таком расстоянии и десять веков спустя — это одна из ярчайших туманностей в небе. В то время сверхновая была настолько яркой, что ее можно было видеть среди бела дня, а значит, всего за несколько недель после взрыва в космос были извергнуты грандиозные количества энергии — столько, сколько Солнце выделит за всю свою жизнь продолжительностью 12 млрд лет. Действительно, обычная сверхновая может легко затмить свет от всех сотен миллиардов звезд в целой галактике и светить с такой интенсивностью неделями.
Наши глаза различают только видимый свет, если бы наши глаза видели в ультрафиолетовом свете, Крабовидная туманность была бы одним из ярчайших объектов на небе. То же относится к радиоволнам, и, если бы вы могли видеть гамма-излучение, Крабовидная туманность была бы единственным ярчайшим и неизменным объектом на небе.
Я осторожно напомню вам, что Крабовидная туманность находится в 400 млн раз дальше от нас, чем Солнце.
Вне всякого сомнения, вспышки сверхновых — это впечатляющие события, способные вызывать масштабнейшие разрушения. На таком большом расстоянии взрыв, породивший Крабовидную туманность, был просто красивым светом в небесах, но не все потенциальные сверхновые находятся так далеко. В прошлом Земля уже подвергалась опасности от взрывающихся звезд, и в будущем такое наверняка случится снова.
Но очень близко — это как? Чтобы понять, что вспышка сверхновой может сделать с нашей окружающей средой и какую опасность могут представлять эти вспышки для нас на Земле, нам понадобится разобраться, отчего вроде бы стабильная звезда взрывается.
Жизнь звезды
В то время как древних астрономов природа звезд на ночном небе ставила в тупик — это были отверстия в небесном своде, пропускающие свет Солнца, — сегодня мы имеем вполне четкое представление о них.
Звезды — это не просто светящиеся точки. Каждая звезда — это отдельное солнце; большинство из них меньше, но некоторые невероятно больше и ярче, чем наше Солнце. Для того, кто впервые осознал, что звезды — это солнца, но безмерно далекие, это должно было стать настоящим откровением!
По мере изучения звезд медленно и верно астрономы узнавали о них все больше. Одни звезды красные, а другие голубые (вы можете убедиться в этом своими собственными глазами, разглядывая пригоршню самых ярких звезд), это говорит о том, что у них разная температура: красные звезды холоднее, а голубые — горячее. Многие звезды существуют не сами по себе, а парами и называются двойными звездами. Они вращаются вокруг друг друга и только притворяются отдельными звездами на таком большом расстоянии. Используя законы физики, установленные астрономом и математиком Иоганном Кеплером в XVII в., астрономы смогли определить массы отдельных компонентов двойных звезд, открыв путь к пониманию физических процессов, протекающих в звездах.
На самом базовом уровне звезда — это большой газовый шар, поэтому во многих отношениях она ведет себя просто. Если газ сжимать, его температура будет расти. Газовый шар с массой Солнца будет сжиматься под действием собственных сил тяготения, нагреваться и ярко светиться, но у него окажется ограниченное время жизни — без внутреннего источника тепла он остынет примерно через миллион лет или около того.
К XIX в. накопилось множество доказательств того, что Земля существует уже по крайней мере миллион лет, а может быть, и больше. А уж Солнце наверняка старше Земли! Затем в 1930-х гг. ученые поняли, что звезда является ядерной топкой, как огромная водородная бомба, взорваться которой не дают собственные силы тяготения. За счет ядерного синтеза Солнце может продолжать вырабатывать энергию не просто миллионы, а миллиарды лет, и не беспокоиться о собственном возрастном кризисе. По иронии судьбы такие гигантские объекты, как звезды, существуют благодаря самым крошечным структурам — атомным ядрам.
Обычный атом состоит из плотного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Ядро содержит электрически нейтральные нейтроны и положительно заряженные протоны. Количество протонов определяет характерные свойства атома: например, водород имеет 1 протон в ядре, гелий — 2, кислород — 8, а железо — 26. При определенных обстоятельствах (например, при сильном нагреве или поглощении ультрафиолетового излучения) атом может лишиться своих электронов, но именно число протонов в ядре делает его определенным атомом.
Как вы, возможно, помните из школьного курса, одноименные заряды отталкиваются. Если попытаться сжать два атомных ядра, их взаимно положительные заряды будут этому сопротивляться. Но температуры в недрах звезд достигают миллионов градусов — а значит, атомные ядра летают стремительно, поэтому часто и сильно сталкиваются, — а давление настолько высокое, что ядра очень сильно прижимаются друг к другу. Если электростатическое отталкивание удается преодолеть, в игру вступают новые ядерные силы, которые спаивают атомные ядра воедино.
Такое слияние ядер имеет два аспекта. Во-первых, синтезируется атом нового типа, так как в новом ядре будет больше протонов, чем в каждом из двух ядер до слияния. В общем случае, четыре атома водорода сливаются с образованием гелия (два протона водорода становятся нейтронами в новом ядре гелия), три атома гелия сливаются с образованием углерода и так далее. Реальный процесс на самом деле гораздо сложнее, но основной принцип такой.
Во-вторых, при слиянии ядер выделяется энергия. Если рассматривать ядерный синтез в целом, можно ожидать, что суммарная масса атома, образовавшегося в результате слияния, будет равна сумме масс атомов, участвующих в процессе синтеза, — если слепить два меньших комка глины в один, его масса будет суммой масс двух комков, разумеется. Однако физика атомного ядра отличается от того, что мы наблюдаем в привычном макроскопическом мире: атомы подчиняются законам квантовой механики, в которой объекты обладают причудливыми свойствами и ведут себя отрицающим здравый смысл образом.
В процессе слияния ядер небольшое количество массы преобразуется в энергию. По сравнению с этой массой, образующаяся энергия колоссальна; это вытекает из знаменитого уравнения Эйнштейна E=mc2, согласно которому образующаяся энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате, а скорость света — очень большое число. Несмотря на это, в пересчете на один атом преобразуемая масса настолько крошечная, что выделяемая энергия невероятно мала — чтобы получить энергию, выделяемую при прыжке блохи, потребуется синтезировать миллионы атомов водорода в гелий.
Но звезды — это огромные хранилища водорода. Как мы обсуждали в главе 2, в ядре Солнца 700 млн т водорода сливаются с образованием 695 млн т гелия каждую секунду! Недостающие 5 млн т преобразуются в энергию, и ее достаточно для того, чтобы питать звезду, позволяя ей излучать тепло и свет, которые нужны нам для жизни. Фактически именно излучаемое тепло противодействует собственным силам тяготения звезды: давление излучения от выделяющейся энергии, направленное наружу, уравновешивает силы тяготения, пытающиеся раздавить звезду. Это равновесие сохраняется, пока не изменяются силы тяготения и выделяемая энергия.
В звездных масштабах Солнце — довольно большое (большинство звезд гораздо менее массивные, обладают меньшими энергией и яркостью); однако существуют звезды гораздо больших размеров и массы. Процесс ядерного синтеза в ядре звезды очень сильно зависит от ее массы, причем с ростом массы скорость реакций быстро увеличивается. В ядре звезды с массой, в два раза превосходящей массу Солнца, синтез гелия из водорода происходит в десять раз быстрее, чем в ядре Солнца, и, следовательно, ее светимость в десять раз больше. Звезда с массой, в 20 раз превышающей массу Солнца, а таких звезд существует немало, «сжигает» свое ядерное топливо в 36 000 раз быстрее, чем Солнце. Несмотря на то что у таких звезд больше топлива, они расходуют его так быстро, что продолжительность жизни у них гораздо короче; Солнце будет стабильно сплавлять водород миллиарды лет, а звезда с массой в 20 солнечных масс может прожить всего несколько миллионов.
Говорят, что даже самая яркая звезда не будет светить вечно. Но в действительности у самых ярких звезд самая короткая жизнь. Даже не знаю, какой вы жизненный урок извлечете из этого.
Что происходит, когда в звезде заканчивается водород? Следует отметить, что на самом деле у звезды, подобной Солнцу, водород не заканчивается никогда, поскольку большая часть массы звезды — это водород! Но слияния происходят только в ядре, где самые высокие давление и температура. Наружные слои звезды гораздо холоднее (десятки тысяч градусов в отличие от миллионов), поэтому ядерный синтез там невозможен. В любом случае этот газ в ядро не попадет, поэтому израсходовать его невозможно. Это вроде как иметь канистру с бензином на заднем сиденье автомобиля. Бензин у вас есть, однако вы не сможете воспользоваться им, пока не остановитесь.
Но водород в ядре звезды в конце концов заканчивается. По мере преобразования водорода в гелий, в самом центре звезды накапливаются ядра гелия. Так как у гелия два протона, его ядра сопротивляются сближениям еще сильнее, чем ядра водорода, поэтому для слияния ядер гелия требуются более высокие температура и давление. В звездах с массой меньше половины массы Солнца или еще меньшей таких условий не возникает никогда. В итоге у звезды заканчивается доступное топливо, и энергия перестает генерироваться.
Но в более массивных звездах гелиевая «зола» может продолжать накапливаться. Ядро звезды становится более массивным, ее собственные силы тяготения сдавливают его все сильнее и сильнее, и наконец наступает момент, когда возникают нужные условия для слияния гелия. В мгновение ока ядра гелия слепляются друг с другом с образованием как ядер углерода, так и кислорода. В этом процессе выделяется еще больше энергии, чем при слиянии ядер водорода, поэтому светимость звезды увеличивается — она буквально становится ярче. Все дополнительное тепло из ее ядра сбрасывается в окружающую водородную оболочку. Это нарушает баланс давления, распирающего звезду изнутри, и сил тяготения, стремящихся сжать ее, поэтому звезда реагирует как любой газ при нагревании: она расширяется, разбухает в грандиозных пропорциях.
Как ни странно, но наружные слои звезды остывают! Несмотря на то что суммарная энергия, излучаемая поверхностью звезды, увеличивается, площадь поверхности увеличивается еще больше. Каждый квадратный сантиметр звезды выделяет меньше энергии; просто этих квадратных сантиметров стало гораздо больше, чем раньше. Хотя светимость звезды увеличивается, она остывает, становясь красной. Из-за цвета и размера такую звезду называют красным гигантом.
Такова грядущая судьба Солнца. Со временем в его ядре накопятся углерод и кислород, а как уже было сказано, для их слияния требуется больше тепла и давления, чем для слияния гелия. У Солнца нет ресурсов для слияния углерода или кислорода, поэтому процесс на этом закончится.
У звезд с массой, превышающей две массы Солнца, есть то, что требуется для этого третьего раунда ядерного синтеза. В их ядрах из атомов углерода может синтезироваться неон, при этом выделяется еще больше энергии. Но для слияния атомов неона в магний и кислород звезда должна быть еще больше, а слияние атомов кислорода в кремний происходит в еще более массивных звездах.
Кремний превратится в железо, но для этого нужны огромные давление и температура, а такие условия возможны только в звездах с массой в 20 раз превышающей массу Солнца. Все эти этапы происходят в такой звезде по порядку, один за другим. Однако каждый следующий этап этой цепочки занимает все меньше и меньше времени, так как с каждым процессом существенно увеличиваются температуры и, следовательно, скорость реакций синтеза. Звезда с массой 20 масс Солнца будет расходовать водород на реакции синтеза много миллионов лет, гелий — один миллион лет, углерод — тысячу лет, а неон израсходуется всего за год (в более массивных звездах эти этапы протекают даже еще быстрее).
В результате ядро массивной звезды становится похоже на луковицу: водород образует наружный слой, окружающий слой из гелия, окружающий слой из углерода, затем неона, затем кислорода, затем кремния. Наконец в самой сердцевине находится сфера из раскаленного добела железа. Безусловно, эти слои немного перемешиваются, но в целом они достаточно четко выражены. Но это только ядро: наружные слои звезды вплоть до поверхности по-прежнему практически полностью состоят из водорода, слияний ядер которого не происходит. Эти слои поглощают все тепло, генерируемое в ядре звезды, и, как и у ее менее массивных сестер, эта газовая оболочка разбухает и становится огромной. Однако звезды в этом диапазоне масс гораздо больше увеличиваются в размерах, чем красные гиганты. Они могут разбухнуть так, что их диаметр составит сотни миллионов километров, поэтому мы называем таких раздутых чудовищ красными сверхгигантами.
Спустя миллионы лет цикл синтеза в такой массивной звезде близок к завершению. Железо отличается от других элементов. В отличие от водорода, гелия и прочих, слияний ядер железа не происходит практически ни при каких обстоятельствах. Ни одна нормальная звезда во Вселенной не способна создать необходимые для этого температуру и давление. В самом сердце звезды, глубоко в ее ядре, тикает, как бомба с часовым механизмом, шар из инертного железа всего в несколько тысяч километров в поперечнике. Как только из кремния синтезируется достаточно железа, эта бомба взрывается.
Неистовство в ночи
А сейчас наконец-то мы подошли к моменту истины. В течение года в ядре массивной звезды накапливалось железо, и все это время оно готовило смертный приговор звезде.
До того момента в жизни звезды ее ядро генерировало энергию; сейчас этот процесс прекратился. Помните, тепло, выделяющееся при ядерном синтезе, — это один фактор, не дающий звезде быть раздавленной собственными силами тяготения.
Второй источник сопротивления силам тяготения — это огромное море электронов в ядре звезды. В нормальном атоме электроны не покидают ядро. Однако в ядре звезды условия настолько критические, что электроны срывает с орбит атомов. Каждый раз, когда электрон стремится привязаться к своему атомному ядру, от интенсивного жара и давления его вновь срывает с орбиты.
В сердцевине звезды электроны очень плотно спрессованы, и в игру вступают причудливые эффекты квантовой механики. Один из них называется вырождением, он похож на электромагнитное отталкивание: если вы возьмете много одинаковых частиц (вне зависимости от заряда) и попытаетесь их сжать, они будут этому сопротивляться. Такое сопротивление — это основной источник поддержки ядра звезды. Вместе с рядовым теплом ядерного синтеза вырождение не дает ядру звезды сколлапсировать под действием собственных сил тяготения.
Но проблема заключается в том, что давление от процесса вырождения может противостоять силам тяготения только до определенного предела. По мере накопления железа ядро звезды становится все более и более массивным и ее силы тяготения увеличиваются все больше и больше. Наступает момент, когда железное ядро достигает критической массы, примерно в 1,4 раза больше массы Солнца. В этот момент вырождение проигрывает. Оно просто не в состоянии удерживать всю эту массу. Ранее, когда в звезде синтезировались другие, более легкие элементы, такой момент никогда не наступал: начинали синтезироваться следующие элементы в последовательности, и ядро звезды было в безопасности.
Но из железа другие элементы не синтезируются, поэтому вырождения уже становится недостаточно. Ядро звезды не может противостоять собственным титаническим силам тяготения, и механизм, поддерживающий ее, отказывает. Катастрофически. Ядро коллапсирует... но это не плавное сдутие, как у воздушного шара, выпускающего воздух. Когда ядро массивной звезды коллапсирует, оно действительно коллапсирует — в этот момент разверзается ад.
Коллапс происходит невероятно быстро: за тысячную долю секунды — буквально и глазом моргнуть не успеешь — гигантские силы тяготения в ядре звезды сжимают ее от тысяч километров в поперечнике до шара из сверхплотного вещества диаметром всего несколько километров. Стремительность коллапса поражает воображение: вещество сжимается со скоростями более 70 000 км/с. В это невозможно поверить, но ядро звезды раскаляется до миллиардов градусов. Образуется высокоэнергетическое гамма-излучение, а эти беспощадные фотоны обладают такой энергией, что могут запросто разрушать атомные ядра при столкновении с ними. Этот процесс, называемый фотодиссоциацией, начинает быстро разрушать ядра железа в сердцевине звезды, разбивая их на мелкие ядра гелия и свободные нейтроны. Но от этого ситуация только усугубляется (если это можно себе представить), так как они могут поглощать еще больше энергии и, соответственно, ускоряют коллапс.
События, происходящие в ядре, отзываются во всей звезде. На ядре лежали наружные слои звезды, и коллапс ядра для них — это ситуация, в которой оказывается герой мультфильма, Хитрый Койот, только реальная: когда персонаж внезапно понимает, что у него буквально ушла почва из-под ног и он начинает падать, так же и газ в наружных слоях звезды внезапно обнаруживает, что парит над вакуумом, и обрушивается вниз. Невероятные силы тяготения ядра звезды очень сильно ускоряют газ, и он врезается в сжатое ядро на скорости, составляющей значительную долю от скорости света.
Это создает колоссальный эффект рикошета, направление движения газа меняется на противоположное, и взрывной волной он начинает распространяться от звезды. Удивительно, но этого рикошета, каким бы значительным он ни был, самого по себе недостаточно для того, чтобы звезда взорвалась; несостоявшийся взрыв глохнет и наружные слои начинают снова падать на ядро. Но у звезды есть еще один козырь в рукаве.
Даже после исходного коллапса в ядре все еще полно электронов. От потрясающего жара и давления коллапса электроны подвергаются действию огромных сил, которые сдавливают их в протоны в ядре звезды. Когда такое происходит, электроны плюс протоны создают больше нейтронов. Но они также создают призрачные субатомные частицы, называющиеся нейтрино, и именно они предвещают звезде беду.
Нейтрино — частицы крайне малых размеров, способные проникать сквозь большие объемы вещества, не поглощаясь им; даже самое плотное вещество для них практически прозрачно. Они извергаются из ядра звезды, унося с собой огромные количества энергии коллапса. Энергия, которую они переносят, поистине потрясающая: она может равняться суммарной энергии, излучаемой Солнцем в течение всей его жизни! По сути, бо́льшая часть энергии, выделяющейся при вспышке сверхновой, находится в форме нейтрино; весь видимый свет, доходящий до нас, каким бы ярким он ни был, составляет какой-то пустяковый 1% от выделенной энергии.
Ядро звезды генерирует колоссальные количества нейтрино: примерно за 10 секунд из ядра вырывается около 1058 (это единица с 58 нулями, народ) частиц. Это происходит почти в то же время, когда наружные слои звезды, обрушившиеся на ядро, начинают отскакивать от него в тщетной попытке улететь. Только этот колоссальный рикошет замедлился и газовая оболочка вот-вот вновь упадет на ядро, как в нее врезаются все те бессчетные нейтрино.
Несмотря на то что нейтрино, как правило, проходят прямиком сквозь нормальную материю, звездный газ — невероятно плотный. Кроме того, нейтрино так много, что часть их поглощается — это все равно как ехать на машине сквозь рой мошкары; как бы они ни старались увернуться, некоторые все равно размажутся по вашему ветровому стеклу.
Газ поглощает лишь небольшую долю, может быть 1%, нейтрино, но все равно это эпическое событие: суммарная энергия, сбрасываемая в газ, огромна.
Это, именно это уничтожает звезду.
Представьте взрыв бомбы на фабрике фейерверков. Энергия сотен миллиардов миллиардов Солнц врывается в наружные слои звезды, разворачивая их в обратном направлении, буквально выталкивая взрывом вовне. Октиллионы тонн вещества обреченной звезды срываются с нее со скоростями, равными многим тысячам километров в секунду. Событие настолько титаническое, что даже крошечную его долю, которая преобразуется в свет, можно наблюдать через всю Вселенную.
И это только видимый свет. Образовавшаяся сверхновая звезда также извергает другие виды излучения — рентгеновское, гамма-излучение и ультрафиолетовое излучение. Прорывающаяся сквозь наружные слои звезды взрывная волна вызывает такой рост давления и температуры, что способна запуститься ядерный синтез. Кстати, так могут наконец образоваться элементы, которые тяжелее железа, потому что условия во взрывной волне, и это невероятно, на самом деле более суровые, чем в ядре звезды. В разлетающихся остатках звезды создаются радиоактивные варианты таких элементов, как кобальт, алюминий и титан, и при распаде они испускают гамма-излучение. Газ, уже адски раскаленный, поглощает эту энергию и разогревается еще сильнее, до миллионов градусов. Он светится в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне спектра. Кроме того, эти взрывы редко бывают однородными. Одни вещества разгоняются сильнее, чем другие, и неизбежные столкновения между ними порождают еще более колоссальные ударные волны, подобные звуковым ударам в расширяющемся веществе. При этом может также генерироваться рентгеновское излучение.
В итоге сверхновая — бурлящий котел мощи и хаоса. Это одно из событий, наводящих страшный ужас в видимой Вселенной.
Неспокойная округа
Вне всякого сомнения, все, что находится близко к взрывающейся звезде, смотрит в лицо надвигающемуся пылающему урагану. Любая планета, вращающаяся вокруг сверхновой, обречена: если ваша главная звезда взрывается в пламени, раскаленном до миллиардов градусов, конец один, и он не из приятных. Планеты будут испепелены, превратятся в бесплодные пустыни, а имеющиеся воздух и воду сорвет и унесет прочь мощной энергией взрыва.
От резкой потери массы силы тяготения звезды значительно ослабевают и планеты выбрасывает из звездной системы. Возможно, по Млечному Пути бродят тысячи или даже миллионы опаленных планет-отщепенцев, надолго переживших смерть звезды, породившей их. Однако космос столь необъятен, что мы можем никогда не найти таких планет, даже если галактика полна ими.
Понятно, что сверхновые опасны. Лучше всего держаться от них как можно дальше. Но насколько дальше? Если звезда взрывается в нашей Галактике, какое расстояние будет слишком близким.
В приложении есть таблица со всеми известными звездами, находящимися от нас на расстоянии до 1000 световых лет, которые могут стать сверхновыми. Самая близкая, Спика, голубой гигант в созвездии Девы, находится от нас на расстоянии примерно 260 световых лет, а большинство других значительно дальше. Несмотря на то что мы не можем назвать точную дату, когда одна из этих звезд взорвется, неоспоримый факт заключается в том, что они все взорвутся, а некоторые — в течение следующих нескольких тысяч лет.
Насколько нам следует беспокоиться об этом?
Вообще-то это зависит от того, о чем нам следует беспокоиться. На первый взгляд, вы можете подумать, что единственное, что стоит учитывать, это масштабность самого события. Ведь только что взорвалась целая звезда! Но в арсенале сверхновой имеется много оружия. Одно не является поводом для беспокойства. Но другое...
Кинетическое воздействие
Если взрыв происходит вблизи от вас, самая очевидная угроза — это осколки. Даже, например, взрыв гранаты неподалеку не сулит ничего хорошего, но сверхновая выводит все на совершенно новый уровень: выброс нескольких октиллионов тонн газа в пространство на скорости, составляющей значительную долю от скорости света, не назовешь немного опасным. Это опасно! Но только если вы находитесь относительно близко. Планета, вращающаяся вокруг обреченной звезды, обречена и сама, но что, если вы наблюдаете это зрелище с «дешевых мест», в районе другой звезды?
Чтобы несколько упростить ситуацию, представим, что процесс извержения вещества сверхновой происходит за одно мгновение. Мы бы увидели тонкую газовую оболочку, расходящуюся от звезды облаком, диаметр которого со временем увеличивается. В той оболочке заключена почти вся масса исходной звезды (наружные слои, сброшенные взрывом, могут в несколько раз перевешивать массу ядра). По мере расширения оболочка увеличивается в объеме, поэтому количество газа в отдельно взятой области уменьшается — это очень похоже на свет, испускаемый электрической лампочкой; чем дальше вы от нее, тем более рассеянным и тусклым он становится.
Осколки от взрыва сверхновой также рассеиваются. Если вы находитесь на планете поблизости от взрыва, на вас обрушится больше вещества, чем когда вы находитесь дальше. В этом случае количество сталкивающегося с вами вещества уменьшается пропорционально квадрату расстояния: если расстояние удвоить, до вас долетит лишь четверть вещества. Но какое расстояние будет достаточным?
Чтобы рассмотреть самый плохой вариант, предположим, что сверхновая находится от нас на расстоянии в 10 световых лет, что маловероятно. Это означает, что от нее до Земли будет около 95 трлн км. Давайте также предположим, что суммарная извергнутая масса в 20 раз больше массы Солнца, что довольно характерно для рядовой сверхновой. В этом случае по Земле попало бы примерно 40 млн т вещества.
Ух ты! Берегись!
Но сколько это на самом деле?
Кажется, что очень много, но в действительности нет; примерно такую массу имел бы небольшой холм высотой около 400 м. Если бы такая глыба свалилась на нас целиком, результат был бы плачевным — в главе 1 это четко объясняется, — но помните, что вся эта масса была бы рассеяна по всей поверхности Земли. Это гораздо меньше, чем 300 г/м2: такая рассеянная масса — как одна капля дождя у вас во дворе.
И мы знаем, что это событие не вызвало бы массового вымирания, так как мы уже переживали столкновения с астероидами таких размеров и даже больше. Мы, возможно, заметили бы, что солнечный свет стал немного тусклее, но обошлись бы без долгосрочных последствий.
У нас есть реальная ситуация — взрыв звезды в 1054 г., после которого образовалась Крабовидная туманность. Сколько осколков долетит до Земли с расстояния 6500 световых лет? Оказывается, примерно 100 т. Повторюсь, несмотря на то что 100 т кажется огромной массой, каждый день на Землю падает 20–40 т метеоритного вещества. Осколки из Крабовидной туманности — это просто небольшая добавка к нашему ежедневному рациону. Но в любом случае вам не стоит беспокоиться: чтобы добраться до нас на обычных для таких обломков скоростях от 1/20 до 1/10 скорости света, им понадобится 100 000 лет, а взрыв произошел всего 1000 лет назад. Кроме того, все равно то вещество наверняка даже не долетит до нас: газ и пыль, находящиеся в космическом пространстве, замедлят скорость и остановят осколки Крабовидной туманности еще до того, как они приблизятся к нам.
Оптический свет
Другая очевидная особенность сверхновых — они яркие. Даже на расстоянии 6500 световых лет Крабовидная туманность была столь же яркой, как и планета Венера. На каком расстоянии должна находиться сверхновая, чтобы свет от нее был очень ярким?
Нам нужно на минутку задуматься о том, что означает «очень яркий». Некоторые животные, например, синхронизируют свои жизненные циклы с Луной. Размножение, питание, охота и так далее определяются фазами Луны или так или иначе зависят от лунного света. Сверхновая, днем и ночью озаряющая небо как Луна, теоретически могла бы повредить некоторым видам.
Чтобы оказаться яркой, сверхновая должна быть от нас на расстоянии примерно 500 световых лет. На самом деле на таком близком расстоянии есть одна-две звезды, которые могли бы взорваться, а именно, как мы уже знаем, это голубой гигант Спика в созвездии Девы. Если она взорвется, она будет прекрасно видна среди бела дня, а ночью будет затмевать Луну на небосклоне, настолько яркая, что при ее свете можно будет читать, а объекты будут отбрасывать четкие тени! Но этот дополнительный свет, скорее всего, раздражал бы. Яркая-то яркая, но сверхновая все равно была бы просто светящейся точкой в небе, при взгляде на которую глаза начинали бы слезиться. Однако никакого физиологического вреда от нее для глаз не было бы. Вы бы просто привыкли не смотреть на нее (или надевать солнечные очки ночью).
Этот новый источник света не давал бы никакого дополнительного тепла: сверхновая все равно была бы слишком далеко и не смогла бы нас нагревать. Представьте это следующим образом: Луна не вызывает какого-либо заметного нагрева Земли, поэтому сверхновая, такая же яркая как Луна, также не стала бы нас нагревать.
Одной возможной проблемой было бы нарушение жизненных циклов некоторых животных, но последствия этого сложно установить. Они вполне могут быть минимальными, так как даже неистовство сверхновой не длится вечно. Через несколько месяцев после взрыва свет потускнеет до приемлемых уровней. Циклы животных, связанные с фазами Луны, могут быть нарушены, но, вероятно, они восстановятся.
Стоит отметить, что чем ближе сверхновая, тем ярче она будет. Чтобы стать такой же яркой, как Солнце, она должна быть гораздо ближе к нам: примерно на расстоянии одного светового года. На таком расстоянии не только нет звезд, которые могут взорваться, на таком расстоянии от нас нет никаких звезд (за исключением, разумеется, Солнца).
Нейтрино
А что насчет всех тех нейтрино, возникших, когда электроны в ядре звезды соединились с протонами с образованием нейтронов? Суммарная излученная энергия огромна. Она нам угрожает?
Вообще-то это довольно сложно установить. В физическом смысле непосредственное поглощение энергии нейтрино клетками человеческого организма не вызывает особой тревоги. Нейтрино невероятно верткие; собственно, прямо сейчас, когда вы читаете это предложение, несколько триллионов нейтрино прошли прямиком сквозь ваше тело, причем наверняка оно не поглотило ни одного. Сверхновая должна быть невероятно близко к Земле, как Солнце, чтобы поток нейтрино от нее мог непосредственно убить человека.
Но, прежде чем вы вздохнете с облегчением, подумайте о следующем. Нейтрино могут отскакивать от атомных ядер и выделять свою энергию, буквально как при ударе языка по колоколу. Оказывается, что такой способ выделения энергии является более эффективным, то есть вероятность, что от него будет эффект, выше. Если бы такое произошло, ядро клетки (в частности, находящаяся в нем ДНК) могло бы повредиться и теоретически вызвать развитие рака.
Повторюсь, степень опасности от этого точно рассчитать сложно, но математические модели показывают, что сверхновая должна быть невероятно близко, чтобы навредить нам таким образом. Если сверхновая находится на расстоянии больше, чем примерно 30 световых лет, эффект будет минимальным, и опять же стоит отметить, что так близко к Земле потенциальных сверхновых нет. Ваша ДНК в безопасности.
Прямое облучение гамма- и рентгеновским излучением
Если принять во внимание другие виды излучения, ситуация становится опаснее. Вы несомненно знакомы с рентгеновским излучением по приемам у зубного врача или если у вас когда-либо были переломы. С медицинской точки зрения рентгеновское излучение — вещь замечательная, потому что эти лучи способны проникать сквозь мягкие ткани нашей кожи и мышц; для фотонов рентгеновского излучения эти клетки прозрачны. Но кости имеют более плотную структуру и лучше поглощают рентгеновское излучение. Если руку положить на пленку, рентгеновское излучение пройдет прямиком сквозь мягкие ткани и засветит ее, а кости поглотят излучение и на пленке от них останется только тень. Именно поэтому медицинские рентгеновские снимки выглядят как негативы.
Однако мягкие ткани все-таки немного поглощают рентгеновское излучение, и в этом таится опасность. Когда клетка поглощает высокоэнергетическое рентгеновское излучение, это как выстрел из ружья по яйцу. При поглощении тканями излучения, выделяющаяся энергия может разрушить клетку. Низкоэнергетическое рентгеновское излучение также может повреждать ДНК, и теоретически клетка может переродиться в раковую. Хотя это кажется тревожным, следует отметить, что обычный медицинский рентгеновский снимок вполне безопасен — астронавты на «Шаттле», например, проводившие в космосе по две недели, получали от Солнца дозу радиации, эквивалентную примерно 50 медицинским рентгеновским снимкам, и без неприятных последствий. Цифровые технологии позволили еще больше снизить эту дозу, так как цифровые детекторы гораздо более чувствительны к рентгеновскому излучению, чем пленка.
Сверхновые, однако, немного ярче, чем рентгеновский аппарат у стоматолога. Тем не менее рентгеновское излучение от взрыва звезды может повредить вам, только если оно дойдет до вас. Но, оказывается, у нас есть встроенный щит.
И вы находитесь за ним.
Атмосфера Земли очень хорошо поглощает излучение такого типа. Многие астрономические источники испускают рентгеновское излучение, но до 1960-х гг. астрономы даже не знали о нем, потому что оно поглощается атмосферой Земли. Рентгеновские лучи блокируются еще в верхних слоях атмосферы, поэтому никогда не достигают поверхности, и даже телескопы, стоящие на вершинах гор, не могут их зарегистрировать. Только с наступлением космической эры было обнаружено, что звезды, галактики и прочие объекты излучают в рентгеновском диапазоне.
Поэтому нам на Земле такое облучение в принципе не грозит. Рентгеновское излучение, даже от близкой сверхновой, поглощается нашей атмосферой и практически не представляет угрозы. Но что можно сказать про людей, находящихся над атмосферой? На самом деле астронавты на орбите, на Международной космической станции, рискуют. Учитывая характерную интенсивность рентгеновского излучения при вспышке сверхновой, астронавты получат смертельную дозу, если звезда будет находиться на расстоянии меньше, чем примерно 3000 световых лет или около того. Это очень далеко! На таком расстоянии от нас есть множество звезд, способных взорваться. Определенно, астронавты — наши самые серьезные жертвы мгновенного (то есть быстрого) излучения от сверхновой.
С гамма-излучением, обладающим большей энергией, чем рентгеновское излучение, примерно такая же история. Оно поглощается нашей атмосферой и представляет мало угрозы тканям организма «сухопутных крыс». Но для команды космического корабля ситуация ухудшается. В результате поглощения гамма-лучей металлическим объектом — скажем, корпусом космической станции — металл может начать испускать сильное рентгеновское излучение; это подобно электромагнитной шрапнели. Гамма-излучение от вспышки на Солнце (как объяснялось в главе 2) может причинить серьезный вред, а сверхновая, даже на расстоянии в несколько тысяч световых лет, все равно способна генерировать столько же или больше гамма-лучей, сколько производит большая солнечная вспышка. Прямое облучение таким гамма-излучением может оказаться смертельным. Само по себе «вторичное излучение» в результате поглощения металлом также может оказаться очень высоким, смертельным для незащищенных астронавтов.
Не забывайте о том, что наши спутники также чувствительны к такому событию (см. главу 2). Кроме этого, вспышка гамма- и рентгеновского излучения от близкой сверхновой ионизировала бы верхние слои атмосферы, создавая каскад субатомных частиц. От этого возник бы сильный импульс магнитной энергии, который может повредить нашу энергосистему так же, как и солнечный корональный выброс массы (подробно события такого рода описаны в главе 2). Такой импульс излучения от сверхновой мог бы серьезно нарушить системы связи, телевидения, глобального позиционирования, авиасообщение на больших высотах и даже передачу электричества по линиям электропередачи.
Напомню, на таком расстоянии от нас имеется несколько звезд, готовых вспыхнуть. Шансы на то, что одна из них взорвется в ближайшем будущем, невероятно низкие, но мы уже вышли в космос и сильно зависим от нашей орбитальной инфраструктуры. Хорошие новости заключаются в том, что, если правительства воспримут угрозу от солнечных выбросов всерьез и примут меры по защите от них нашей инфраструктуры, сверхновые нам также угрожать не будут.
По крайней мере, в этом конкретном аспекте. Но мы еще не закончили экскурсию по их арсеналу.
Гамма- и рентгеновское излучение: возвращение
Прежде чем вы начнете дышать свободно, сидя на дне этого воздушного океана, вам следует осознать, что мы кое-что забыли. Нам, находящимся на поверхности Земли, действительно не грозит прямое облучение высокоэнергетическим излучением, потому что атмосфера поглощает его. Но тогда будет разумным поинтересоваться, как это влияет на саму атмосферу?
Теоретически это самая большая угроза, которую представляет сверхновая.
Наша атмосфера состоит из многих слоев. Мы находимся на дне, где много кислорода, смешанного с азотом, а также присутствуют и другие газы, такие как двуокись углерода и аргон, в следовых количествах. Но там наверху все по-другому.
Как обсуждалось в главе 2, на высоте примерно 15–50 км над поверхностью Земли находится озоновый слой, поглощающий опасное УФ-излучение Солнца. Если бы его ничто не задерживало, оно достигло бы поверхности и причинило самый разнообразный вред, включая солнечные ожоги и рак кожи у людей. Более того, многие простейшие организмы и бактерии, основа пищевой цепочки на планете, очень чувствительны к ультрафиолету.
Несомненно, озоновый слой исключительно важен для жизни на Земле, и с точки зрения сверхновой на нем красуется большая жирная мишень.
Когда рентгеновское излучение и гамма-излучение от сверхновой попадают в атмосферу Земли, они могут разрушать молекулы озона, приводя к каскадному развитию событий, описанных в начале этой главы. Критическим фактором, как и всегда, является расстояние. С какого расстояния сверхновая сможет разрушить озоновый слой настолько, что от этого пострадает жизнь на поверхности?
Это важный вопрос, и многие ученые относятся к нему очень серьезно. Некоторые составили компьютерные модели, чтобы понять, насколько близкая сверхновая может повредить нашей атмосфере. Они использовали математическую модель атмосферы, куда включили такие факторы, как высота сверхновой над горизонтом, время года, расстояние и так далее.
Разные модели дают разные ответы, но конечный результат, судя по всему, для нас благоприятен: чтобы причинить достаточно вреда озоновому слою и полностью разрушить основание пищевой цепочки, сверхновая должна была бы находиться от нас на расстоянии как минимум 100 световых лет. Некоторые модели свидетельствуют о том, что она должна быть даже ближе, скажем, 25 световых лет.
Так близко к нам нет массивных звезд, готовых взорваться, поэтому и в этот раз нам, похоже, ничто не угрожает... или угрожает?
Сириусная опасность?
У меня есть и другие плохие новости: взрываться могут не только массивные звезды. Более легким звездам, таким как Солнце, не хватает массы, чтобы создать условия для коллапса ядра. Но оказывается коллапс ядра — не единственный способ взорвать звезду.
В ядре массивной звезды накапливается гелий, со временем превращающийся в углерод и кислород. Но в звезде с малой массой этого не происходит: ее внешние слои просто слишком легкие и не создают нужного давления для слияния ядер гелия. Вместо этого гелий просто накапливается в самом центре звезды в виде плотного шара из вырожденного гелия. Вырождение — это тот причудливый эффект квантовой механики, который мы обсуждали ранее, проявляющийся, когда слишком много частиц одного типа — в данном случае электронов — очень сильно спрессованы. По мере накопления гелия скорость вырождения увеличивается и температура стремительно растет (хотя в данном случае все равно недостаточно сильно, чтобы синтезировать углерод и кислород из гелия).
Ранее мы уже рассмотрели, что звезда с малой массой расширяется и остывает, превращаясь в красный гигант. Если она достаточно массивна, она все еще может продолжать синтезировать углерод из гелия, при этом углерод будет накапливаться и цикл повторяться. Если у звезды не хватает массы, чтобы синтезировать углерод, процесс на этом прекращается.
Но жизнь красного гиганта еще не окончена. В то время как глубоко в сердцевине проходят все эти процессы, на поверхности ситуация совсем иная. Значительно увеличившиеся размеры звезды означают, что на поверхности силы тяготения гораздо ниже; газ там уже не удерживается столь надежно, как раньше. Вспомните также, что существенно возросла яркость звезды. Свет, исходящий изнутри, бомбардирует все частицы газа на ее поверхности. Газ поглощает этот свет, выталкивающий его наружу. Этого толчка может быть достаточно, ослабшие силы тяготения будут преодолены, газ получит достаточный импульс, позволяющий ему сорваться с поверхности и устремиться в космос.
Звезда испускает плотный поток вещества. Астрономы называют его звездным ветром, это как солнечный ветер на стероидах. Ветер от красных гигантов может быть очень плотным, унося в тысячи раз больше газа, чем раньше, до того, как в ядре звезды произошло вырождение; плотность этого потока может быть настолько большой, что наружные слои звезды могут полностью исчезнуть всего за несколько тысяч лет. За этот короткий по сравнению с продолжительностью жизни звезды промежуток она теряет до половины своей массы.
Когда такое происходит, ее вырожденное ядро обнажается и она становится белым карликом. Несмотря на то что в нем может быть заключена масса целой звезды, белый карлик такой плотный, что размерами не превышает Земли. Силы тяготения на поверхности сложно представить, они в сотни, тысячи раз сильнее, чем земные. Примерно несколько кубических сантиметров вещества белого карлика имели бы массу в несколько тонн, это все равно что спрессовать десятки автомобилей до размеров кубика сахара. Кроме того, белый карлик очень горячий, он раскален до температуры свыше сотни тысяч градусов.
После того как звездный ветер унес внешние слои звезды, этот шар сверхспрессованного, сверхгорячего вещества остается в центре расходящегося газового облака. Белый карлик настолько горячий, что испускает поток ультрафиолетового излучения, возбуждающего газ в улетающем ветре, вызывая его свечение. С Земли эти газовые облака выглядят бледными, призрачными дисками, светящимися характерным зеленым цветом, потому что содержат кислород. Астрономы называют их планетарными туманностями, потому что в окуляре телескопа они похожи на далекие планеты, но такой термин неверен: это последние вздохи звезд со средней массой, и однажды наступит черед Солнца пройти через подобный этап (сделав жизнь здесь, на Земле, очень неприятной; к вашему сведению, дальше этому будет посвящена отдельная глава).
С этого момента, однако, жизнь звезды становится довольно скучной. В конце концов газовое облако улетает, полностью рассеиваясь и смешиваясь с холодным газом, существующим в межзвездном пространстве. В течение миллиардов лет белый карлик остывает, тускнеет и просто гаснет.
Но для некоторых белых карликов история на этом не заканчивается.
Примерно половина всех звезд на небе являются частью двойных или множественных звездных систем; это звезды, которые обращаются вокруг друг друга благодаря взаимным силам тяготения. Теперь представьте такую систему с двумя звездами на общей орбите. Обе имеют массу, приблизительно равную массе Солнца. Одна стареет немного быстрее, чем другая; возможно, она чуть более массивна, чем ее компаньонка, поэтому ядерный синтез в ней происходит чуть интенсивнее. Она превращается в красного гиганта, сбрасывает свои внешние оболочки и становится плотным белым карликом, состоящим из гелия.
Со временем и вторая звезда начинает проходить через те же этапы. Но, когда она раздувается, превращаясь в красного гиганта, ее компаньонка уже стала белым карликом с более сильной гравитацией. Если карлик находится достаточно близко к образовавшемуся красному гиганту, благодаря своей мощной гравитационной тяге он может фактически стаскивать вещество со второй звезды, буквально пожирая его. Этот газ, который практически весь является водородом, оседает на поверхности белого карлика и накапливается, как снег на земле.
С этого момента ситуация становится опасной. Силы тяготения белого карлика поразительно мощные, они неимоверно сдавливают массу, оседающую на его поверхности. Если вещество переносится на поверхность слишком быстро, оно скапливается в одном месте, и давление там возрастает до критической точки. Ядра водорода в этой куче мгновенно сливаются, детонируя как термоядерная бомба, только бомба мощностью в 100 000 раз больше, чем вся излучаемая энергия Солнца.
Колоссальная вспышка — и накопившееся вещество сдувает с поверхности звезды, несмотря на мощные силы тяготения. Это как будто отрыжка после того, как вы поглотили слишком быстро и слишком много пищи, — давление на белом карлике спадает, и после того, как все успокоилось, вещество начинает накапливаться вновь, и запускается новый цикл.
В человеческих масштабах высвобождаемая энергия колоссальна, но все равно она меньше, чем при вспышке сверхновой, и это событие называется просто новой. Взрыв практически никак не влияет на белого карлика — количество материи, сдуваемой во время этого события, всего в несколько сотен раз больше массы Земли, то есть гораздо, гораздо меньше, чем масса звезды, и, следовательно, цикл может повторяться до тех пор, пока красный гигант питает белого карлика.
Однако, если поток материи от красного гиганта перетекает медленней, это меняет дело. Газ не будет скапливаться так быстро в одном месте и взрываться. Вместо того он будет распределяться по всей поверхности белого карлика, образуя вокруг него оболочку из инертного водорода. Но в этом случае давление не сбрасывается, «отрыжки» не происходит. Так как материя распределена, давление ниже, чем в первом случае, и слой вещества продолжает нарастать, утолщаясь, повсюду на поверхности белого карлика. В конце концов, когда накопится достаточно материи, точка взрывного запуска синтеза будет все равно достигнута.
В этом случае взрывным термоядерным процессом сливаются не только ядра водорода на одном небольшом участке, но вся материя на всей поверхности звезды. Взрыв выделяет гораздо, гораздо больше энергии, и она прогрызает свой путь внутрь белого карлика, а также вырывается в космос. Выделяющаяся энергия настолько титаническая, что может разорвать саму звезду, приводя к катастрофе эпических масштабов. Звезда взрывается целиком, как одна огромная термоядерная бомба размером с планету Земля. Это катастрофа в прямом смысле слова: звезда превращается в сверхновую.
По космическому совпадению суммарная энергия, выделяемая при этом событии (называется сверхновая типа I), очень схожа с энергией, испускаемой массивной звездой, превращающейся в сверхновую (называется сверхновая типа II), несмотря на то что происходят совершенно другие физические процессы. На деле эти события выглядят настолько похоже, что астрономы не сразу смогли понять, что они никак не связаны. Но в обоих выделяются титанические количества энергии, и оба очень опасны, если произойдут слишком близко к нам.
Одна категория, в которой два события различаются, — это испускаемый ими высокоэнергетический свет: звезды типа I испускают гораздо больше рентгеновского и гамма-излучения, чем звезды типа II. Это означает, что даже на большом расстоянии они могут быть опасны для нас. Нам известно, что поблизости кандидатов на тип II нет. А что насчет типа I?
К счастью, и таких поблизости нет. Однако — и «однако» есть всегда — очень близко к Земле существует двойная звезда с белым карликом: Сириус, самая яркая звезда на ночном небе. Она находится на расстоянии всего девяти световых лет от Земли, что по космическим меркам практически у нас на коленях.
Сириус А, главная звезда, — это нормальная звезда (то есть синтезирующая гелий из водорода в своем ядре, как Солнце) с массой, примерно вдвое превышающей массу Солнца. Вокруг нее вращается Сириус В, белый карлик с примерно такой же массой, как и Солнце. В один прекрасный день Сириус А превратится в красного гиганта, и Сириус В начнет его поедать... но, насколько мы можем судить, Сириус В находится слишком далеко от А и не сможет питаться с нужной для взрыва скоростью. Белый карлик будет все равно накапливать материю и от этого становиться ярче, так как материя разогревается и врезается в поверхность выродившейся звезды, но этого, вероятно, будет недостаточно, чтобы представлять опасность для нас на Земле. Кроме того, Сириус А, скорее всего, станет красным гигантом только через десятки или сотни миллионов лет. Насколько нам известно, больше нигде поблизости от нас кандидатов на тип I нет.
Поэтому, повторюсь, вы можете вздохнуть с облегчением. Похоже, сверхновая такого типа нам также не грозит.
Космическая лучевая пушка
У сверхновых обоих типов есть еще одно, последнее, оружие, которое нам нужно учитывать, и, возможно, оно самое разрушительное.
Межзвездное пространство заполнено субатомными частицами — протонами, нейтронами, даже целыми ядрами гелия, — движущимися на высоких скоростях, иногда практически на скорости света. Эти потоки, которые называются космическими лучами, открыл ученый по имени Виктор Гесс в 1912 г. Он запустил воздушный шар с простым аппаратом, регистрирующим ионизирующее излучение, субатомные частицы, способные врезаться в нормальные атомы и срывать с них электроны. Считалось, что этого излучения будет больше у поверхности Земли (благодаря существующим в природе радиоактивным элементам), но по мере подъема воздушного шара уровень излучения возрастал. Это означает, что значительная часть того излучения должна поступать из космоса.
Что может разгонять частицы до таких высоких скоростей? Ну как что, для этого понадобилась бы энергия взрыва звезды... о, точно.
Как я уже упоминал, когда звезда взрывается, в выброшенном веществе распространяются массивные ударные волны. Ударная волна может передавать этим частицам огромную энергию, ускоряя их. Ударные волны в турбулентном хаосе расширяющегося газа могут множество раз швырять частицу, заставляя ее двигаться невероятно быстро. Когда она наконец вырывается, ее скорость может составлять 99,9999% от скорости света.
По сути, это субатомная пуля, а сверхновые производят гигатонны таких. К тому же оказывается, что они, несомненно, очень опасны, потому что есть несколько способов, какими они могут причинить вред нам на Земле.
Когда космические лучи врезаются в нашу атмосферу, они могут ионизировать молекулы, находящиеся в ней, и даже разрывать их. Например, озон разрушается при попадании по нему космических лучей. Модели близких вспышек сверхновых демонстрируют, что последствия от повреждения озонового слоя космическими лучами похожи на последствия воздействия гамма-излучения. Помните, гамма-излучение от сверхновой, находящейся на расстоянии 25 световых лет или больше, ничему не угрожает, поэтому мы можем предположить, что наш озон выдержит налет космических лучей от события, произошедшего на большем расстоянии.
Тем не менее, когда космические лучи попадают по молекуле в нашей атмосфере, может создаваться множество вторичных частиц, движущихся на высокой скорости. Они разлетаются как шрапнель, сея разрушения на большем пространстве. Эти вторичные частицы, называемые мюонами, могут проливаться дождем прямиком на поверхность Земли. Они могут быть чрезвычайно опасны: мюоны будут врезаться в ткани, разрушая клетки и, хочешь не хочешь, ДНК. Достаточно большая волна космических лучей, попадающая в атмосферу Земли, может распространить мюоны по всей планете, убивая растения и животных в больших количествах.
Такой тип взаимодействий очень сложно моделировать. Например, на космические лучи воздействуют магнитные поля, отчего их траектория и скорость могут меняться. В галактике существуют очень замысловатые магнитные поля, и неизвестно, как конкретно это затронет нас. Магнитные поля Солнца и даже Земли также играют в этом роль, усложняя и без того невероятно запутанную игру. Тем не менее ученые попытались оценить ситуацию, но из-за всех неопределенностей разброс в цифрах получился очень большой: некоторые модели показывают, что сверхновая должна быть всего на расстоянии нескольких световых лет, чтобы ее космические лучи причинили нам вред, а по оценке других, это расстояние ближе к 1000 световых лет. Врать не буду, это не сильно успокаивает, потому что на таком расстоянии существует множество звезд, способных взорваться (как видно по таблице в приложении).
Однако мы можем найти некоторое утешение. Интенсивность облучения, предсказываемая самыми зловещими моделями, практически стерла бы всю жизнь с лица Земли: мюоны обладают потрясающей проникающей способностью, поэтому от них не зарыться в землю и не спрятаться глубоко под водой. Однако само наше существование является вполне убедительным доказательством того, что более умеренные модели — более точные.
Тем не менее у облучения космическими лучами есть и другие последствия, которые нам нужно учитывать. Как уже упоминалось в главе 2, когда озон разрушается от воздействия космических лучей, может образовываться диоксид азота, превращающийся в азотную кислоту. Даже относительно умеренное облучение космическими лучами от вспышки сверхновой может увеличить интенсивность кислотных дождей. Однако, если количество событий, во время которых образуются мюоны, мы можем прикинуть только приблизительно, модели кислотных дождей, вызванных вспышкой сверхновой, еще менее определенные. Скорее всего, вспышка сверхновой должна произойти достаточно близко, чтобы причинить нам такой вред, но насколько близко, мы все еще точно не знаем.
Привет из прошлого
Наконец давайте обсудим еще кое-что. Несмотря на то что прямо сейчас потенциальных сверхновых любого типа на расстоянии, достаточном для того, чтобы убить нас, нет, это не значит, что их не было в прошлом. Земля существует 4,6 млрд лет, а расстояния между звездами меняются, так как они движутся по орбитам внутри Галактики, как автомобили по шоссе. Могла ли когда-то в отдаленном прошлом неподалеку от нас вспыхнуть сверхновая и каким-то образом затронуть Землю?
С точки зрения статистики практически наверняка. В зависимости от расстояния (чем они ближе, тем реже), возможно, что Земля несколько раз наблюдала взрывы звезд из первого ряда. По данным одной модели Земля видела по крайней мере три с расстояния в 25 световых лет; это достаточно близко, чтобы серьезно повредить наш озоновый слой или облучить нас потоком мюонов.
Но у нас есть кое-что еще, кроме простой математики. У нас есть геология.
В 2004 г. научное сообщество было потрясено, когда группа ученых объявила, что нашла радиоактивный изотоп 60Fe (железо-60) в аномально высоких количествах в образце, взятом со дна Тихого океана. Это исключительно редкий на Земле изотоп, и на Земле нет процессов, при которых он мог бы создаваться в заметных количествах.
Однако этот изотоп образуется в сверхновой, когда в расширяющемся облаке осколков происходит взрывной процесс ядерного синтеза. Кажется вероятным, что 60Fe, обнаруженный в донной пробе из Тихого океана, был создан сверхновой и попал на Землю, когда Земля оказалась на пути облака проносящихся осколков.
Очень интересен тот факт, что у изотопа 60Fe относительно короткий период полураспада. Радиоактивные элементы распадаются с образованием «дочерних» элементов. Со временем все исходные элементы исчезают. Период полураспада — это статистический период, в течение которого половина пробы вещества распадается, и у разных изотопов он разный. Период полураспада изотопа 60Fe составляет всего около 1,5 млн лет. Измерив количество 60Fe по сравнению с другими элементами, обнаруженными в пробе, можно определить возраст пробы. В данном случае, 60Fe погрузился на дно Тихого океана всего лишь 2,8 млн лет назад.
Это означает, что с геологической точки зрения вспышка сверхновой наблюдалась относительно недавно. Учитывая количество 60Fe в пробе, сверхновая также должна была находиться не так далеко: возможно, на расстоянии всего 50 световых лет. Может быть, даже ближе.
Кстати, было обнаружено и возможное место рождения сверхновой: неплотный кластер массивных звезд — таких, которые образуют сверхновые типа II, — называющийся ассоциацией Скорпиона — Центавра. Эта группа звезд в настоящее время находится от нас на расстоянии примерно от 400 до 500 световых лет, но 3 млн лет назад она была ближе, на расстоянии всего 100 световых лет, подозрительно близко к подходящему расстоянию, с которого сверхновая могла запустить изотоп 60Fe на Землю.
Более того, известно, что Солнце расположено в области, называемой «Местный пузырь» — это полость в обычном тумане из газа и пыли, наполняющем галактику. Такие пузыри могут создаваться взрывающимися звездами; расширяющийся газ расчищает полость, как снегоуборочная машина. Удивительно, но Местный пузырь не старше 10 млн лет. Похоже, к его возникновению также приложила руку ассоциация Скорпиона — Центавра.
Ни о каких эпизодах массового вымирания в тот период, когда на Землю осаждался изотоп 60Fe, неизвестно, и это успокаивает: даже сверхновая на расстоянии от 50 до 100 световых лет, похоже, не представляет большой угрозы.
Но статистические данные все равно интересны. Жизнь на Земле существует более 3 млрд лет, а многоклеточные организмы — в течение последних 600 млн лет или около того. Происходило ли какое-либо космическое событие, потрясшее мир, в тот период?
Цикл жизни
Но, рассуждая о жизни на Земле и сверхновых, я считаю, мы не должны упускать из виду одно важное соображение.
В начале существования Вселенной происходило множество замысловатых событий. Сначала было настолько жарко, что нормальная материя существовать не могла; это был суп из экзотических субатомных частиц. Но спустя очень короткое время — буквально через три минуты после Большого взрыва — он достаточно остыл и появилась нормальная материя. Начальные условия были такими, что в тот момент могли быть созданы только водород, гелий и чуточку лития.
И все. Никакого углерода. Ни железа, ни молибдена, ничего, только эти три самых легких элемента. Через несколько сотен миллионов лет сформировались звезды. Это были сверхмассивные звезды, как минимум в 100 раз массивнее Солнца, и состояли только из этих трех элементов; примерно на 75% из водорода и на 25% из гелия, а литий даже почти не определялся.
Они проходили через обычный (то есть на сегодняшний день) цикл синтеза более тяжелых элементов из более легких последовательно до железа. После чего они взрывались, разумеется, и взрывы рассеивали все те тяжелые элементы в пространстве. Осколки врезались в ближайшие газовые облака, сжимая их. Из облаков сформировалось следующее поколение звезд. Однако те звезды были другими: они с самого начала содержали определенное количество более тяжелых элементов. Некоторые из этих звезд также были массивными и взрывались, вновь засевая космос железом, углеродом, кальцием...
В конце концов родилось Солнце. В тот момент Вселенная существовала уже более 9 млрд лет. Несколько поколений звезд загрязнили межзвездное пространство тяжелыми элементами, поэтому, когда разрозненные сгустки материи склеились в Солнце, у него уже был «чулан с периодической таблицей». Действительно, в диске, из которого оно возникло, было полно таких элементов, как железо, кремний, кислород. Когда из этого диска сформировались планеты, они также получили свою долю. Поэтому Земля до отказа набита железом, никелем, цинком, кальцием и всем остальным.
Но в момент возникновения Вселенной эти вещества не существовали! Они были созданы именно в тех сверхмассивных звездах. Те звезды были алхимиками своего времени, превращающими простые химические элементы в более сложные: водород стал гелием, затем углеродом, затем кислородом. Последовательно до железа и дальше.
Когда вам случается порезать палец и из ранки появляется кровь, красный цвет, который вы видите, объясняется наличием гемоглобина, а ключевой фактор в его молекуле — это железо. То железо было выплавлено в сердце сверхновой. Железа, которое создается в сверхновой, хватит больше чем на 5000 планет Земля.
Кальций в ваших костях, вероятнее всего, появился в сверхновой типа I, которые, как правило, создают больше этого элемента, чем сверхновые типа II. Вообще-то обычная сверхновая типа I образует достаточно кальция, чтобы произвести примерно 23×1028 литров (это 230 октиллионов литров) молока.
Да, у нас есть молоко.
Золото в вашем обручальном кольце? Сверхновая. Свинец в грузиле на леске? Сверхновая. Алюминий в фольге? Ну он, вероятно, из красного гиганта (они создают алюминий в ядре, а их звездный ветер разносит его по всему космосу), но сверхновые также производят алюминий.
Вспышка сверхновой неподалеку может причинить разрушения невообразимых масштабов... но без сверхновых жизни во Вселенной не было бы вообще. Своим существованием мы обязаны цепочке безымянных и никем не наблюдаемых сверхновых, массивных звезд, умерших задолго до того, как Солнце было всего лишь сгустком тумана.
Нет ничего ненормального в том, чтобы опасаться сверхновых. Но также нормально понимать их ценность. Если бы сверхновых не существовало, не было бы никого, кто смог бы разобраться в их природе.
