Отголоски взрыва Сверхновой

Еще долго после того, как сама Сверхновая погасла, газовые остатки взрыва продолжают расширяться, иногда образуя красивые туманности. Крабовидная туманность – один из таких остатков взрыва Сверхновой. Призрачные газовые облака имеют свою агрессивную сторону и регулярно приводят к смерти людей.

Из космоса на Землю льются потоки космических лучей – заряженных элементарных частиц. Почти все они являются протонами, и некоторые из них двигаются со скоростями, превышающими порог, которого может достичь любой земной ускоритель. Хотя мы знали о космических лучах с 1912 года, их происхождение оставалось для нас загадкой.

Физики, правда, подозревали, что основным источником космических лучей могут быть остатки сверхновых. Вещество, выброшенное сверхновой, движется так быстро, что создает ударную волну, в которой сходятся и переплетаются силовые линии магнитного поля.

Заряженные протоны попадают в ловушку магнитных силовых линий и начинают летать туда-сюда, по многу раз преодолевая фронт ударной волны – подобно шарику в пинг-понге, который игроки перекидывают с одного края стола на другой. Каждый раз протоны приобретают все большую энергию.

Доказать такую гипотезу оказалось не так-то просто. Межзвездные магнитные поля могут отклонять космические лучи на пути к нашим детекторам, поэтому к тому времени, когда они достигают Земли, их направления искажаются, а это мешает определить их происхождения. К решению этой проблемы требовался другой подход, и его нашли – гамма-излучение. При столкновении высокоэнергетических протонов с низкоэнергетическими протонами рождаются гамма-лучи с характерной минимальной энергией. В силу отсутствия заряда на них не действуют магнитные поля, и они перемещаются по прямым линиям.

С помощью космического гамма-телескопа «Ферми» Штефан Функ и его коллеги из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, Центр Стэнфордского линейного ускорителя) (г. Менло-Парк, штат Калифорния, США) наблюдали два остатка сверхновых. Они зарегистрировали большое количество гамма-лучей, чья энергия превышала характерный минимум, и в то же время почти не увидели гамма-лучей с низкими энергиями. Тем самым ученые подтвердили, что эти остатки сверхновых являются активными ускорителями частиц.

Но не у всех космических лучей одинаковое происхождение. Некоторые космические лучи состоят не из протонов, а из мюонов или позитронов; другие – космические лучи со сверхвысокими энергиями – вероятно, прибыли к нам из-за пределов нашей Галактики. Но похоже, что основная доля космических лучей, которые в основном отвечают за фоновую радиацию на Земле, происходят от остатков сверхновых.

Окончательный крах

Оказывается, что сильное ядерное взаимодействие не всегда является достаточно сильным. Если масса звезды составляет более 20 солнечных масс, то, когда в ее ядре заканчивается топливо и она начинает коллапсировать, никакая известная сила не может противостоять порыву звезды схлопнуться вовнутрь. Самогравитация неуклонно уплотняет вещество, уменьшая его объем, что приводит к образованию черной дыры.

Если воспользоваться общей теорией относительности Эйнштейна, чтобы описать происходящее с гравитационным полем черной дыры, то мы обнаружим, что прямо в центре описываемых событий кривизна пространства-времени становится бесконечной. Появляется особенность, «дыра» в ткани пространства-времени – так называемая сингулярность. Но это не все странности. Вокруг сингулярности образуется невидимая сферическая поверхность – горизонт событий. Ничто, попавшее под горизонт событий, не может вырваться наружу.

Ну, почти ничего. Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут быть не вполне черными: квантовая пена, состоящая из частиц и античастиц, рождающихся вблизи горизонта событий, испускает особое излучение – так называемое излучение Хокинга. Это может означать, что в невообразимо далеком будущем черные дыры потеряют всю свою энергию и полностью испарятся.

Хотя черных дыр непосредственно еще не наблюдали, ученые считают, что есть неопровержимые доказательства их существования. Их можно обнаружить по тому влиянию, которое они оказывают на астрофизические объекты – звезды или газ, находящиеся по соседству. В 1972 году именно таким образом обнаружили первую вероятную черную дыру – объект Лебедь X-1 (Cygnus X-1). Она находится на расстоянии 6000 световых лет от Солнца. Невидимый объект вращается по орбите вокруг голубого сверхгиганта. Газ от этого сверхгиганта падает на невидимый объект и в процессе своего постепенно ускоряющегося падения нагревается и испускает интенсивное рентгеновское излучение. Масса объекта составляет около 15 масс Солнца – слишком много для того, чтобы он был нейтронной звездой. Поэтому с большой долей вероятности это именно черная дыра. После Лебедя X-1 было открыто много подобных кандидатов в черные дыры в рентгеновских двойных системах.

Теоретически считается, что рождению черной дыры предшествует яркая вспышка сверхновой. Но есть звезды, масса которых находится вблизи нижней границы разрешенного диапазона масс, действующие по иному сценарию: образующаяся черная дыра может поглотить основную часть вещества вокруг себя и подавить взрыв. Возможно, недавно мы видели рождение черной дыры именно в такой неудавшейся сверхновой.

В 2016 году в университете штата Огайо (г. Колумбус, США) группа ученых под руководством Кристофера Кочанека обрабатывала данные космического телескопа «Хаббл». Исследователей заинтересовало странное поведение красного сверхгиганта N6946-BH1. Эта звезда находится на расстоянии примерно 20 миллионов световых лет от Земли. Ученые сравнили результаты ее наблюдений в 2004 и в 2009 годах: в 2009 году ее светимость на несколько месяцев внезапно увеличилась, после чего звезда погасла. Новые снимки телескопа «Хаббл» показывают, что в видимом диапазоне длин волн она исчезла.

Эти наблюдения согласуются с теоретическими предсказаниями относительно того, что происходит, когда звезда подобного размера «съеживается» до размеров черной дыры. Во-первых, она испускает много нейтрино, что приводит к потере ее массы. Поскольку масса звезды мала, ее поля тяготения становится недостаточно, чтобы удержать свободно рассеянное вокруг нее облако из ионов водорода. Облако ионов уплывает от звезды и охлаждается, отделившиеся электроны вновь присоединяются к ионам водорода. Как следствие, происходит яркая вспышка, после которой остается черная дыра.

Истинная природа черной дыры по-прежнему неизвестна. Некоторые теоретики предполагают, что при падении астронавта в дыру прямо под горизонтом его уничтожит «огненная стена»; другие считают, что можно попасть через кротовую нору в другую вселенную. Что может произойти вблизи сингулярности, по-видимому, останется тайной. Ни теория относительности, ни квантовая теория ответить на этот вопрос не могут, и физики бьются над созданием единой теории квантовой гравитации, которая могла бы это сделать.