Сверхновая звезда
-
Определение и происхождение сверхновых
- Сверхновая — мощный взрыв звезды, возникающий на последних стадиях эволюции массивной звезды или при ядерном синтезе белого карлика.
- Исходный объект либо коллапсирует, либо разрушается, образуя диффузную туманность.
- Максимальная оптическая яркость может быть сравнима с яркостью галактики.
-
История наблюдений
- Сверхновые наблюдались с древних времен, но их видимость коротка и редка.
- В Млечном Пути сверхновые происходят примерно три раза в столетие.
- Последняя видимая невооруженным глазом сверхновая была SN 1987A.
-
Механизмы и последствия
- Сверхновые могут возникать из-за возобновления ядерного синтеза в белом карлике или гравитационного коллапса ядра массивной звезды.
- Они выбрасывают несколько солнечных масс вещества и создают расширяющуюся ударную волну.
- Сверхновые являются основным источником элементов в межзвездной среде и космических лучей.
-
Этимология и классификация
- Слово «сверхновая» происходит от латинского «nova» и означает «новый».
- Термин был введен Вальтером Бааде и Фрицем Цвикки в 1931 году.
- Американские астрономы Рудольф Минковский и Фриц Цвикки разработали современную схему классификации сверхновых.
-
Современные наблюдения и открытия
- С развитием телескопов стало возможным наблюдение более слабых и удаленных сверхновых.
- Космический телескоп Джеймса Уэбба выявил около 80 новых объектов, включая самую удаленную спектроскопически подтвержденную сверхновую.
- Астрономы-любители и профессионалы ежегодно обнаруживают несколько сотен сверхновых.
-
Программы обнаружения
- Сверхновые редки и происходят в Млечном Пути примерно три раза в столетие.
- Важно обнаружить их задолго до максимальной яркости для использования в качестве стандартных свечей.
- Астрономы-любители играют важную роль в обнаружении сверхновых, рассматривая ближайшие галактики.
-
Системы наблюдения сверхновых
- Существуют профессиональные установки, такие как автоматический визуализирующий телескоп Katzman.
- Проект SNEWS использует сеть нейтринных детекторов для раннего предупреждения о вспышках сверхновых.
-
Поиск сверхновых
- Поиск делится на два класса: с большим и низким красным смещением.
- Наблюдения за кривыми блеска полезны для стандартных свечей и космологических прогнозов.
- Спектроскопия более практична при низком красном смещении.
-
Классификация сверхновых
- Сверхновые классифицируются по кривым блеска и спектральным признакам.
- Тип I подразделяется на Ia, Ib и Ic.
- Тип II подразделяется на IIn, IIb, II-P и II-L.
- Типы III, IV и V были определены Цвикки, но теперь рассматриваются как особые сверхновые типа II.
-
Текущие модели
- Коды типов основаны на наблюдаемом излучении, а не на причине.
- Сверхновые типа Ia образуются в результате термоядерного синтеза на белых карликах.
- Основной механизм образования сверхновых типа Ia остается неясным.
-
Предел Чандрасекара и коллапс белых карликов
- Белый карлик, достигший предела Чандрасекара, разрушается из-за давления вырождения электронов.
- Обычно предел не достигается, так как термоядерный синтез углерода происходит до коллапса.
- Коллапс белого карлика с ядром из кислорода, неона и магния образует нейтронную звезду.
-
Сверхновые типа Ia
- Сверхновые типа Ia образуются в тесных двойных звездных системах.
- Более крупная звезда превращается в красного гиганта, сбрасывая оболочку и становясь белым карликом.
- Вторичная звезда также превращается в красного гиганта, поглощая вещество белого карлика.
- Сверхновые типа Ia имеют характерную кривую блеска, что позволяет использовать их для измерения расстояний.
-
Нестандартные сверхновые типа Ia
- Аномально яркие сверхновые типа Ia возникают при превышении предела Чандрасекара.
- Эти сверхновые могут иметь меньшую кинетическую энергию и не всегда уничтожают прародителя белого карлика.
- Существуют также сверхновые типа Ia/IIn, типа Ian, типа IIa и типа IIan, которые могут быть вызваны различными механизмами коллапса ядра.
-
Разрушение ядра массивных звезд
- Коллапс ядра массивных звезд может привести к образованию сверхновой или черной дыры.
- Коллапс может быть вызван различными механизмами, такими как превышение предела Чандрасекара, захват электронов, нестабильность пар или фоторазрушение.
- Сверхновые типа IIn могут быть вызваны различными типами коллапса ядра у разных звезд-предшественников.
-
Детализированный процесс коллапса ядра
- Коллапс ядра происходит со скоростью до 70 000 км/с, что приводит к быстрому повышению температуры и плотности.
- Вырожденные ядра с малой массой образуют нейтронные звезды, с большей массой — черные дыры, а невырожденные — подвергаются ускоренному термоядерному синтезу.
- Начальный коллапс ускоряется бета-распадом, фотораспадом и захватом электронов, что вызывает выброс электронных нейтрино.
- Внутреннее ядро достигает 30 км в диаметре с плотностью, сравнимой с плотностью атомного ядра.
- Если масса ядра превышает 15 масс Солнца, образуется черная дыра без сверхновой.
- В ядрах с меньшей массой коллапс прекращается, образуя нейтронное ядро с начальной температурой около 100 миллиардов Кельвинов.
- Нейтрино-антинейтрино пары эффективно образуются за счет теплового излучения, создавая ударную волну и видимую яркость.
- Некоторое количество вещества из внешней оболочки падает обратно на нейтронную звезду, что может привести к образованию черной дыры или релятивистским струям.
-
Коллапс массивного ядра
- Коллапс ядра инициируется нестабильностью пар, что приводит к синтезу кислорода.
- При массе ядра 40-60 Мкм коллапс прекращается, но может повториться при более крупном ядре.
- В ядрах 60-130 Мкм происходит слияние кислорода и тяжелых элементов, что разрушает звезду и образует сверхновую.
- В верхней части диапазона масс сверхновая обладает необычной яркостью и долгим сроком службы.
- При еще большей массе ядра температура ядра становится высокой, что приводит к фоторазрушению и образованию черной дыры.
-
Тип II
- Звезды с массой менее 8 Мкм не образуют ядро, достаточное для коллапса, и превращаются в белых карликов.
- Звезды с массой 9-12 M☉ эволюционируют, сжигая тяжелые элементы при высоких температурах.
- Звезды super-AGB могут образовывать большинство коллапсирующих сверхновых, но менее светящиеся.
- Сверхновые типа II образуются при коллапсе ядра во время фазы сверхгиганта.
- Звезды с металличностью, близкой к солнечной, теряют водород до коллапса ядра и не образуют сверхновых типа II.
- Звезды с низкой металличностью достигают коллапса ядра с водородной оболочкой, но массивные звезды коллапсируют в черную дыру.
- Звезды с начальной массой около 90 M☉ образуют сверхновые II-P типа.
- При умеренной или высокой металличности звезды теряют большую часть водорода при коллапсе ядра, образуя сверхновые II-L типа.
- Звезды с очень низкой металличностью достигают коллапса ядра с водородной атмосферой и кислородным ядром, образуя сверхновые с высокой светимостью.
-
Типы Ib и Ic
- Эти сверхновые образуются из звезд Вольфа-Райе, потерявших водородную оболочку.
- Звезды Вольфа-Райе имеют металличность от умеренной до высокой.
- Сверхновые типа Ib образуются из звезд Вольфа-Райе типа WC.
- Сверхновые типа Ic образуются из звезд Вольфа-Райе типа WO.
- Несколько процентов сверхновых типа Ic связаны с гамма-всплесками.
- Сверхновые с ультрачастотной структурой возникают при массопереносе в тесной двойной системе.
- Сверхновые с ультрачистостью связаны со вторым взрывом сверхновой в двойной системе.
-
Сверхновые, захватывающие электроны
- В 1980 году предсказан третий тип сверхновых, названный сверхновой с электронным захватом.
- В 2021 году SN 2018zd стала первым наблюдением сверхновой с электронным захватом.
-
Несостоявшиеся сверхновые
- Коллапс ядра некоторых массивных звезд может не привести к видимой сверхновой.
- Красный сверхгигант N6946-BH1 пережил вспышку в 2009 году и исчез из поля зрения.
-
Кривые блеска
- Выбрасываемые газы быстро тускнеют без затрат энергии.
- Энергия, поддерживающая оптическое свечение сверхновой, поступает быстро, но преобладает радиоактивный нагрев.
- Радиоактивный распад 56Ni объясняет большую часть кривой блеска SN 1987A.
- Поздняя фаза затухания кривых блеска зависит от радиоактивного нагрева, но различается по форме и амплитуде.
-
Кривые блеска сверхновых типа Ia
- Однородные кривые с постоянной максимальной абсолютной звездной величиной
- Оптическая энергия вырабатывается за счет радиоактивного распада никеля-56
- Радиоизотопы возбуждают окружающий материал, вызывая его раскаление
- Современные космологические исследования основаны на радиоактивности 56Ni
-
Кривые блеска сверхновых типа Ib и Ic
- Аналогичны кривым блеска типа Ia, но с меньшей пиковой яркостью
- Визуальный световой поток обусловлен радиоактивным распадом никеля-56
- Пиковая яркость варьируется, возможны гиперновые
-
Кривые блеска сверхновых типа II
- Медленное снижение, порядка 0,05 звездной величины в сутки
- В течение нескольких месяцев преобладает кинетическая энергия водорода
- Большинство сверхновых II типа демонстрируют плато на кривых блеска
-
Сверхновые типа IIn
- Характеризуются дополнительными узкими спектральными линиями
- Кривые блеска очень широкие и протяженные
- Образуются в результате высокоэффективного преобразования кинетической энергии
-
Асимметрия сверхновых
- Загадка асимметрии расширения сверхновых типа II
- Возможные объяснения включают конвекцию, асимметричный выброс вещества и асимметричное излучение нейтрино
- Первоначальная асимметрия подтверждена в сверхновых типа Ia
-
Выход энергии сверхновых
- Электромагнитное излучение составляет малую долю от общей энергии
- При взрывах белых карликов типа Ia энергия направляется на синтез тяжелых элементов и кинетическую энергию
- При коллапсе ядра сверхновой подавляющее большинство энергии направляется на испускание нейтрино
-
Сверхновые с коллапсом ядра
- Визуально слабее сверхновых типа Ia, но общая выделяемая энергия выше
- Релятивистские струи могут вызывать гамма-всплески и передавать дополнительную энергию
- Ударная волна в плотном облаке околозвездного вещества может вызывать гиперновые второго типа
-
Природа сверхновых с парной нестабильностью
- Сверхновые с парной нестабильностью имеют разрушающееся ядро и спектры, схожие с типом II-P.
- После распада ядра они больше похожи на гигантские сверхновые типа Ia.
- Энергия взрывов сравнима с другими сверхновыми с коллапсом ядра, но производство нейтрино низкое.
-
Прародители сверхновых
- Тип сверхновой связан с типом звезды-прародительницы.
- Сверхновые типа Ia образуются из белых карликов в двойных системах.
- Сверхновые с коллапсом ядра встречаются в галактиках с текущим или недавним звездообразованием.
- Сверхновые типа Ib и Ic образуются из массивных звезд, потерявших внешний слой.
-
Проблемы с эволюцией звезд
- Красные сверхгиганты являются прародителями большинства коллапсирующих сверхновых.
- Проблема красного сверхгиганта: красные сверхгиганты с массой выше 18 M☉ не взрываются как сверхновые.
- Подтверждены предшественники сверхновых типа IIb и IIn, но не типа Ib/c.
-
Внешнее воздействие сверхновых
- Вспышки сверхновых порождают тяжелые элементы, рассеиваемые в межзвездной среде.
- Ударная волна от сверхновой может спровоцировать звездообразование.
- Сверхновые являются основным источником элементов в межзвездной среде.
-
Роль в эволюции звезд
- Остатки сверхновых обогащают межзвездную среду металлами.
- Металлы влияют на продолжительность жизни звезд и возможность образования планет.
- Кинетическая энергия остатка сверхновой может спровоцировать звездообразование.
-
Быстрые радиовсплески
- Быстрые радиовсплески могут быть объяснены магнетарами, образовавшимися в результате коллапса ядра сверхновой.
-
Остатки сверхновых и космические лучи
- Остатки сверхновых ускоряют галактические первичные космические лучи.
- Прямые доказательства образования космических лучей обнаружены в остатках IC 443 и W44.
-
Гравитационные волны от сверхновых
- Сверхновые могут быть мощными источниками гравитационных волн.
- Гравитационные волны от коллапса ядра сверхновой могут быть обнаружены без задержки.
- Большинство гравитационно-волновых сигналов кратковременны и трудно обнаружимы.
-
Воздействие на Землю
- Околоземные сверхновые могут влиять на биосферу Земли.
- Следы прошлых вспышек сверхновых обнаружены в слоях горных пород.
- Сверхновые типа Ia потенциально опасны, если возникают близко к Земле.
-
Кандидаты на Млечный Путь
- Следующую сверхновую в Млечном Пути можно обнаружить.
- Наиболее распространенный тип сверхновых с коллапсом ядра — тип II-P.
- Звезды Вольфа-Райе могут быть кандидатами на сверхновые.
-
Идентификация кандидатов
- Голубые звезды Спика и Ригель, красные сверхгиганты Бетельгейзе и Антарес, желтый гипергигант Ро Кассиопеи и другие звезды могут быть кандидатами.
- Идентификация кандидатов в сверхновые типа Ia носит спекулятивный характер.
-
Дополнительные сведения
- Слияние Килоновой и нейтронной звезды.
- Список сверхновых звезд и остатков сверхновых.
- Кварк-новая и сверхяркая сверхновая.
- Сверхновые в художественной литературе.
- Хронология белых карликов, нейтронных звезд и сверхновых.
- Коллапсар и гиперновая.