Як підірвати зорю

Моделювання народження наднової — нелегка справа. Принаймні донедавна всі експерименти зазнавали невдачі. Але астрофізикам таки вдалося підірвати зорю. 11 листопада 1572 р. астроном Тихо Браге (Tycho Brahe) помітив у сузір’ї Кассіопеї нову зорю, що сяяла так само яскраво, як Юпітер. Мабуть, саме тоді похитнулася впевненість у тому, що небеса вічні й незмінні, і народилася сучасна астрономія. Через чотири століття астрономи зрозуміли, що деякі зорі, раптово стаючи в мільярди разів яскравішими за звичайні, вибухають. У 1934 р. Фріц Цвіккі (Fritz Zwicky) з Каліфорнійського технологічного інституту назвав їх «надновими». Вони постачають у космічний простір важкі елементи, що керують формуванням та еволюцією галактик, і допомагають вивчати розширення простору.

Через десять секунд після спалаху термоядерне полум’я майже повністю спалює білий карлик. Стрімко поширюючись із глибини назовні, ланцюгова ядерна реакція перетворює вуглець і кисень (бузковий і червоний) на кремній (помаранчевий) та залізо (жовтий). На основі попередніх комп’ютерних моделей було неможливо простежити турбулентні рухи й пояснити, чому зорі вибухають

Цвіккі та його колега Вальтер Бааде (Walter Baade) припустили, що енергію для вибуху зорі дає гравітація. На їхню думку, зоря стискається, доки її центральна частина не досягне густини атомного ядра. Речовина, що колапсує, може вивільнити гравітаційну потенціальну енергію, достатню для викиду залишків зоряної речовини назовні. У 1960 р. Фред Гойл (Fred Hoyle) із Кембриджського університету та Віллі Фаулер (Willy Fowler) із Калтеху вважали, що наднові схожі на гігантську ядерну бомбу. Коли зоря на кшталт Сонця спалює своє водневе, а потім і гелієве паливо, настає черга кисню та вуглецю. Під час синтезу за участю цих елементів не лише вивільняється величезна енергія, а й утворюється радіоактивний нікель-56, розпад якого пояснює післясвітіння вибуху, що триває кілька місяців.

Обидві ідеї виявилися правильними. У спектрах деяких наднових немає слідів водню (тип I); схоже, у більшості з них відбувся термоядерний вибух (тип Ia), а в решти (типи Ib та Ic) — колапс зорі, яка скинула свій зовнішній водневий шар. Наднові, у спектрах яких виявлено водень (тип II), також виникають унаслідок колапсу. Перші два явища перетворюють зорю на газову хмару, що розлітається, а гравітаційний колапс призводить до утворення надщільної нейтронної зорі або навіть чорної діри. Спостереження наднової 1987А (тип II) підтверджують запропоновану теорію.

Однак досі вибух наднової залишається однією з головних проблем астрофізики. Комп’ютерні моделі відтворюють його з труднощами. Дуже складно змусити зорю вибухнути (що саме собою приємно). Зорі — саморегульовані об’єкти, які залишаються стабільними протягом мільйонів і мільярдів років. Навіть світила, що вмирають, мають механізми згасання, але не вибуху. Щоб відтворити вибух, знадобилися багатовимірні моделі, розрахунок яких був комп’ютерам не під силу.

Вибух — справа нелегка

Білі карлики — це неактивні залишки зір, подібних до Сонця, які поступово остигають і згасають. Вони можуть вибухати як наднові типу Ia. Однак, на думку Гойла й Фаулера, якщо білий карлик обертається навколо іншої зорі близькою орбітою, він може акретувати (відтягувати) речовину зі свого компаньйона, збільшуючи тим самим свою масу, центральну густину й температуру настільки, що стає можливим вибуховий синтез із вуглецю та кисню.

Термоядерні реакції мають поводитися як звичайний вогонь. Фронт горіння може поширюватися крізь зорю, залишаючи після себе «ядерний попіл» (переважно нікель). У кожен момент часу реакції синтезу мають відбуватися в невеликому об’ємі, здебільшого в тонкому шарі на поверхні бульбашок, заповнених «попелом», що плавають у глибині білого карлика. Через свою низьку густину бульбашки можуть спливати до поверхні зорі.

Але термоядерне полум’я згасатиме, оскільки виділення енергії спричиняє розширення й охолодження зорі. На відміну від бомби, зоря не має оболонки, що обмежує її об’єм.

У лабораторії неможливо відтворити вибух наднової, його можна спостерігати лише в космосі. Наша група провела ретельне моделювання, використовуючи суперкомп’ютер IBM p690. Чисельну модель зорі було подано тривимірною розрахунковою сіткою, яка мала 1024 елементи по кожній зі сторін, що дозволило врахувати деталі розміром у кілька кілометрів. Кожен обчислювальний цикл потребував понад 1020 [запис числа в оригіналі пошкоджений] арифметичних операцій. Навіть суперкомп’ютеру, який виконує понад 1011 [запис числа в оригіналі пошкоджений] операцій за секунду, на це знадобилося майже 60 процесоро-років. Різні обчислювальні хитрощі, які спрощують модель і використовуються в інших галузях науки, незастосовні до наднових з їхніми асиметричними течіями, екстремальними умовами й гігантським просторовим і температурним діапазоном. Крім того, у моделях наднових мають ураховуватися фізика частинок, ядерна фізика, гідродинаміка й теорія відносності.

Наднова Тихо: термоядерний вибух, який спостерігав знаменитий данський астроном Тихо Браге у 1572 р., залишив по собі хмари кремнію, заліза та інших важких елементів, що світяться в рентгенівському діапазоні (зелений, червоний). Ударна хвиля (тонка блакитна оболонка) розширюється зі швидкістю 7500 км/с

Під капотом

Знайти розв’язок допоміг аналіз роботи автомобільного двигуна. Перемішування бензину з киснем та їхнє займання створюють турбулентність, яка, своєю чергою, збільшує поверхню горіння, інтенсивно її деформуючи. При цьому швидкість згоряння палива, пропорційна площі горіння, зростає. Але й зоря також турбулентна. Потоки газу долають у ній величезні відстані з великою швидкістю, тому найменші збурення швидко перетворюють спокійну течію на турбулентний потік. У надновій гарячі бульбашки, що спливають, мають перемішувати речовину, змушуючи ядерне горіння поширюватися так швидко, що зоря не встигає перебудуватися й «загасити» полум’я.

У справному двигуні внутрішнього згоряння полум’я поширюється з дозвуковою швидкістю, обмеженою швидкістю дифузії тепла крізь речовину, — такий процес називають дефлаграцією, або швидким горінням. У двигуні, що «стріляє», полум’я поширюється з надзвуковою швидкістю у вигляді ударної хвилі, яка проноситься киснево-паливною сумішшю та стискає її (детонація). Термоядерне полум’я також може поширюватися двома шляхами. Детонація здатна повністю спалити зорю, залишивши лише найбільш «негорючі» елементи, такі як нікель і залізо. Однак у продуктах цих вибухів астрономи виявляють велике розмаїття елементів, зокрема кремній, сірку та кальцій. Отже, ядерне горіння поширюється, принаймні спочатку, як дефлаграція.

Останніми роками було створено надійні моделі термоядерної дефлаграції. Дослідники з Каліфорнійського (м. Санта-Крус) і Чиказького університетів та наша група спиралися при цьому на програми, створені для дослідження хімічного горіння й навіть для прогнозування погоди. У турбулентному каскаді початковий потік розбивається на дедалі дрібніші частини, тому моделювання неодмінно має бути тривимірним.

Модель наднової має грибоподібний вигляд: гарячі бульбашки піднімаються в шаруватому середовищі, зморщуючись і розтягуючись через турбулентність. Спричинене нею прискорення ядерних реакцій за кілька секунд призводить до руйнування білого карлика, залишки якого розлітаються зі швидкістю близько 10 тис. км/с, що відповідає спостережуваній картині.

Але досі незрозуміло, чому займається білий карлик. Крім того, дефлаграція має викидати більшу частину речовини карлика незміненою, а спостереження показують, що незміненою залишається лише мала частина зорі. Імовірно, вибух зумовлений не лише швидким горінням, а й детонацією, а причина вибуху наднових типу Ia криється не тільки в акреції речовини, а й у злитті двох білих карликів.

Крабоподібна туманність — газовий залишок наднової з колапсом ядра, вибух якої спостерігали у 1054 р. У центрі — нейтронна зоря (позначена стрілкою), що викидає частинки, які змушують газ світитися (блакитний). Зовнішні волокна переважно складаються з водню й гелію зруйнованої масивної зорі

Гравітаційна могила

Виникнення наднових унаслідок колапсу зоряного ядра пояснити складніше. З погляду спостережень ці наднові різноманітніші за термоядерні: одні з них мають водень, інші — ні; одні вибухають у щільному міжзоряному середовищі, інші — у майже порожньому просторі; одні викидають величезну кількість радіоактивного нікелю, інші — ні. Енергія викиду та швидкість розширення також різняться. Найпотужніші з них породжують не лише класичний вибух наднової, а й тривалий гамма-спалах (див.: Герелс Н., Леонард П. і Піро Л. Найяскравіші вибухи у Всесвіті // ВМН, № 4, 2003). Ця неоднорідність властивостей — одна з багатьох загадок. Наднові з колапсом ядра — основні кандидати на роль джерел найважчих елементів, таких як золото, свинець, торій і уран, які можуть утворитися лише за особливих умов. Але ніхто не знає, чи справді такі передумови виникають у зорі, коли її ядро вибухає.

Хоча ідея колапсу здається простою (під час стиснення ядра виділяється енергія гравітаційного зв’язку, завдяки якій викидаються зовнішні шари речовини), зрозуміти цей процес у деталях важко. Наприкінці життя у зорі з масою понад 10 мас Сонця утворюється шарувата структура: у глибині з’являються шари дедалі важчих елементів. Ядро складається переважно із заліза, а рівновага зорі підтримується квантовим відштовхуванням електронів. Але зрештою маса зорі долає опір електронів, які втискаються в атомні ядра, де починають реагувати з протонами й утворювати нейтрони та електронні нейтрино. Своєю чергою, нейтрони й решта протонів притискаються один до одного дедалі сильніше, доки їхня власна сила відштовхування не зупинить колапс.

У цей момент стиснення зупиняється і змінюється розширенням. Речовина, втягнута вглиб гравітацією, починає частково витікати назовні. У класичній теорії цю задачу розв’язують за допомогою ударної хвилі, яка виникає, коли зовнішні шари зорі з надзвуковою швидкістю налітають на ядро, що раптово сповільнило своє стиснення. Ударна хвиля рухається назовні, стискаючи й нагріваючи речовину, з якою вона стикається, і водночас втрачає свою енергію, зрештою затухаючи. Моделювання показує, що енергія стиснення швидко розсіюється. Як же в такому разі зоря підриває саму себе?

Першою спробою розв’язати цю задачу стала праця Стірлінга Колгейта (Stirling Colgate) і Річарда Вайта (Richard White), опублікована в 1966 р., а згодом — комп’ютерні моделі Джима Вілсона (Jim Wilson), створені ним на початку 1980-х рр., коли всі троє працювали в Ліверморській національній лабораторії імені Лоуренса. Вони припустили, що ударна хвиля — не єдиний переносник енергії від ядра до зовнішніх шарів зорі. Можливо, допоміжну роль відіграють нейтрино, народжені під час колапсу. На перший погляд, ця ідея здається дивною: як відомо, нейтрино надзвичайно неактивні й настільки слабко взаємодіють з іншими частинками, що їх навіть важко зареєструвати. Але в зорі, що стискається, вони мають більш ніж достатньо енергії, щоб спричинити вибух, а за умов надзвичайно високої густини непогано взаємодіють із речовиною. Нейтрино нагрівають шар навколо ядра наднової, що колапсує, підтримуючи тиск в ударній хвилі, яка сповільнюється.

Як ракета

Але чи достатньо такого додаткового поштовху для підтримання хвилі й завершення вибуху? Комп’ютерне моделювання показало, що недостатньо. Хоча газ і поглинає, і випромінює нейтрино, втрати переважають, і тому вибуху не відбувається. Але в досліджуваних моделях було одне спрощення: зоря в них вважалася сферично симетричною. Тому ігнорувалися багатовимірні явища, такі як конвекція та обертання, які дуже важливі, оскільки спостережувані наднові породжують доволі несферичний, «кошлатий» залишок.

Туманність Гітара — це ударна хвиля, що поширюється за нейтронною зорею (біля стрілки), яка мчить крізь газ зі швидкістю 1600 км/с. Щоб надати зорі такої швидкості, вибух має бути несиметричним

Багатовимірне моделювання показує, що навколо ядра наднової нейтрино нагрівають плазму і створюють у ній бульбашки, що спливають, та грибоподібні потоки. Конвекція переносить енергію до ударних хвиль, штовхаючи їх угору і спричиняючи вибух.

Коли вибухова хвиля трохи сповільнюється, бульбашки гарячої плазми, що розширюється, розділені холодною речовиною, яка тече вниз, зливаються. Поступово утворюється одна або кілька бульбашок в оточенні низхідних потоків. Унаслідок цього вибух стає асиметричним. Крім того, уповільнена ударна хвиля може деформуватися, і тоді колапс набуває форми пісочного годинника. Додаткова нестійкість виникає, коли ударна хвиля виривається назовні й проходить крізь неоднорідні шари зорі-попередниці наднової. При цьому хімічні елементи, синтезовані протягом життя зорі та під час вибуху, перемішуються.

Оскільки залишки зорі переважно вилітають в один бік, нейтронна зоря в центрі відскакує в інший, як скейтборд, що відкочується назад, коли ви з нього зістрибуєте. Наша комп’ютерна модель показує швидкість відскоку понад 1000 км/с, що відповідає спостережуваному руху багатьох нейтронних зір. Але деякі з них рухаються повільніше, імовірно, тому, що бульбашки під час вибуху, який їх утворив, не встигли злитися. Виникає єдина картина, у якій різні варіанти стають результатом одного основного ефекту.

Попри значні досягнення останніх років, жодна з наявних моделей не відтворює весь комплекс явищ, пов’язаних із вибухом наднової, і кожна містить спрощення. Повна версія має використовувати сім вимірів: простір (три координати), час, енергію нейтрино та швидкість нейтрино, описану двома кутовими координатами. Ба більше, це потрібно зробити для всіх трьох типів, або ароматів нейтрино.

Але чи може вибух бути спричинений різними механізмами? Адже магнітне поле може перехопити енергію обертання щойно сформованої нейтронної зорі й надати нового поштовху ударній хвилі. Крім того, воно виштовхуватиме речовину назовні вздовж осі обертання у вигляді двох полярних джетів. Ці ефекти дадуть змогу пояснити найпотужніші вибухи. Зокрема, гамма-спалахи можуть бути пов’язані з джетами, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Можливо, ядра таких наднових колапсують не в нейтронну зорю, а в чорну діру.

Поки теоретики вдосконалюють свої моделі, спостерігачі намагаються використовувати не лише електромагнітне випромінювання, а й нейтрино та гравітаційні хвилі. Колапс ядра зорі, його бурління на початку вибуху та його можливе перетворення на чорну діру призводять не лише до інтенсивного викиду нейтрино, а й стрясають структуру простору-часу. На відміну від світла, яке не може пробитися крізь верхні шари, ці сигнали надходять безпосередньо з бурхливого пекла в центрі вибуху. Нещодавно створені детектори нейтрино та гравітаційних хвиль можуть привідкрити завісу над таємницею смерті зір.

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.