С незапамятных времен астрономам известно, что время от времени на небе появляются звезды, дотоле не наблюдавшиеся. В тех случаях, когда неожиданно вспыхнувшая звезда бывает достаточно яркой, она «нарушает» привычную конфигурацию созвездия, в котором она вспыхнула, и невольно обращает на себя внимание людей, хотя и далеких от астрономии, но знающих звездное небо. Заметим, однако, что такие яркие вспышки бывают редко. Исторические хроники донесли до нас свидетельства о таких удивительных явлениях, случившихся много веков назад. В большинстве же случаев странные звезды бывают слабыми и редко их можно видеть невооруженным глазом. С давних времен эти удивительные звезды получили название новых. Как уже давно установлено, новые звезды — это галактические объекты. В максимуме блеска их абсолютная величина достигает значения -7 и даже ярче. Это означает, что их светимость в десятки и сотни тысяч раз превышает светимость Солнца. Через несколько месяцев их блеск сильно падает и наконец они «стабилизируются» как карликовые, горячие звездочки очень низкой светимости. Уже довольно давно было показано, что подавляющее большинство (если не все) новых звезд представляют собой тесные двойные системы. Ежегодно в нашей звездной системе — Галактике — вспыхивает несколько десятков новых звезд, причем только малая их часть доступна астрономическим наблюдениям, так как большинство их весьма удалено и скрыто от нас поглощающей свет межзвездной пылевой средой. Одни и те же новые звезды вспыхивают многократно, через довольно значительные промежутки времени, исчисляемые сотнями и тысячами лет. Существенно подчеркнуть, однако, что при всей грандиозности явления такой вспышки оно не связано с коренным изменением структуры звезды и тем более ее разрушением. После очередной вспышки звезда возвращается примерно в то же состояние, в котором она пребывала до вспышки. Изредка, однако, астрономы наблюдают неизмеримо более грандиозное явление — взрывы звезд, сопровождаемые радикальными изменениями их структуры. К этому выводу, однако, астрономы пришли далеко не сразу.

Началось с того, что 31 августа 1885 г. на старейшей обсерватории нашей страны, находящейся в городе Тарту, астроном Гартвиг обнаружил новую звезду, находящуюся довольно близко от ядра туманности Андромеды. Эта звезда имела блеск около 6,5 звездной величины, т. е. люди с острым зрением могли бы ее видеть без всяких оптических инструментов.

Видимая звездная величина всей туманности Андромеды близка к 4,5 величины. Это означает, что поток излучения от вспыхнувшей новой звезды был всего лишь в 6,25 раза меньше, чем от всей туманности. Так как не подлежало сомнению, что звезда вспыхнула в самой туманности, то это означает, что ее светимость была в 6,25 раза меньше светимости туманности Андромеды.

Ни Гартвиг, ни его современники еще не знали, что туманность Андромеды — это не просто клочок светящегося вещества, расположенный сравнительно близко от Солнца, а гигантский звездный остров, насчитывающий несколько сотен миллиардов звезд. Тогда само слово «галактика» еще не существовало. Правда, еще со времен Ламберта (XVIII век) в астрономии получила распространение концепция «островных вселенных», согласно которой уже известные тогда спиральные туманности представляют собой огромные коллективы звезд, погруженные в газово-пылевую, весьма разреженную среду. Согласно этой концепции наша Галактика, наблюдаемая в виде полосы Млечного Пути, такая же «островная вселенная», как и весьма удаленные от нас спиральные туманности. Однако глубокая идея Ламберта носила чисто умозрительный характер. Физически обоснованного метода определения расстояний до спиральных туманностей тогда еще не было. Только в начале 20-х годов нашего столетия концепция «островных вселенных» была доказана и стала прочным завоеванием науки.

Поэтому мы должны прежде всего удивиться грандиозности явления, наблюдавшегося тартуским астрономом. Подумать только! Ведь туманность Андромеды, как сейчас известно, удалена от нас на расстояние 600 000 пс, т. е. свыше 2 миллионов световых лет! И вот на таком чудовищно большом расстоянии вспыхивает звезда, которая чуть ли не видна простым глазом! Заметим в этой связи, что даже самые яркие звезды, которые были обнаружены в этой туманности (что, кстати сказать, послужило основным доказательством справедливости концепции «островных вселенных»), имеют ничтожно малую видимую звездную величину порядка 20. А все звезды этой гигантской галактики (превосходящей нашу Галактику, также являющуюся гигантским объектом), число которых составляет сотни миллиардов, излучали всего лишь в 6,25 раза больше, чем одна звезда. Вот это фейерверк!

Из наблюдений Гартвига можно было восстановить кривую блеска (т. е. зависимость звездной величины от времени) этой звезды. Так, например, за две недели до максимума ее блеск соответствовал 9-й звездной величине, в то время как за год до этого на месте этой звезды ничего нельзя было обнаружить — значит, она была слабее 15-й величины. Начиная с марта следующего, 1886 г. эту звезду уже нельзя было обнаружить даже в самые большие телескопы.

В последние десятилетия в гигантской удаленной звездной системе туманности Андромеды систематически наблюдаются обычные новые звезды. В максимуме блеска они бывают 17—18-й звездной величины. Их наблюдается ежегодно несколько десятков — примерно столько же, сколько вспыхивает в нашей Галактике. Отсюда следует, что Новая 1885 г. действительно представляла собой совершенно незаурядное явление — она была примерно на 12 величин ярче обычных новых. Это означает, что ее светимость в максимуме блеска была в десятки тысяч раз больше, чем у обычных новых.

Между 1885 и 1920 гг. наблюдалось несколько вспышек ярких новых в ближайших к нам внегалактических туманностях — галактиках. В высшей степени интересной была вспышка такой звезды в июле 1895 г. в туманности NGC 5253. Эта звезда, получившая название Z Центавра, в максимуме блеска имела звездную величину, равную 7,2. Весьма любопытно, что сама галактика NGC 5253 на пять величин (т. е. в 100 раз!) слабее. Правда, это карликовая галактика, не чета туманности Андромеды или нашей Галактике, но все же там имеется несколько миллиардов звезд. Значит, одна звезда в течение короткого времени излучала в 100 раз больше, чем миллиарды звезд всей этой галактики! Есть чему удивляться. История повторяется: в 1972 г. в той же галактике NGC 5253 вспыхнула другая звезда, блеск которой доходил до 8^m. Эта звезда сыграла выдающуюся роль в развитии наших представлений о природе таких объектов. Ибо в наши дни техника астрономических наблюдений неизмеримо выше, чем в 1895 г. ... Новая звезда в NGC 5253 стала объектом яростной атаки целой армии астрономов, которые тщательно исследовали ее излучение в самых различных участках спектра. Опубликованные результаты привели к значительному прогрессу в понимании природы этих объектов.

Всего за период 1885—1920 гг. было обнаружено в разных галактиках около 10 таких вспышек. Вспышки наблюдались в галактиках самой различной формы — эллиптических, спиральных, неправильных. Уже из этого несовершенного ряда наблюдений можно сделать очень важный вывод: такие феноменальной мощности вспышки происходят чрезвычайно редко. Грубая оценка показывает, что в одной галактике одна вспышка случается в среднем один раз за несколько сотен лет.

На основании описанных выше основных наблюдательных данных в 1919 г. известный шведский астроном Лундмарк выдвинул гипотезу, что в галактиках, кроме «обычных новых звезд», частота вспышек которых довольно велика, изредка вспыхивают звезды, светимость которых в максимуме в десятки тысяч раз больше.

В 1934 г. американские астрономы Цвикки и Бааде предложили такие звезды называть «сверхновыми». Хотя этот термин, по мнению автора настоящей книги, довольно бессмыслен, он получил широчайшее распространение и сейчас является общепринятым для обозначения грандиозного явления взрыва звезд.

В нашей Галактике, являющейся гигантской звездной системой, лишь немногим уступающей туманности Андромеды, также время от времени должны происходить вспышки сверхновых звезд. Но, как уже указывалось выше, это очень редкое явление. С другой стороны, если даже с такого огромного расстояния, как расстояние до туманности Андромеды, вспышка сверхновой почти что была видна невооруженным глазом, то что же можно ожидать, если она вспыхнет «рядом», в пределах нашей Галактики? Здесь, правда, надо сделать одно немаловажное замечание. Из-за поглощения межзвездными пылевыми частицами свет от удаленных от нас галактических объектов будет очень сильно ослаблен. У непосвященного читателя может, конечно, возникнуть вопрос: а почему это не происходит в случае, если сверхновые вспыхивают в удаленных «чужих» галактиках? Ответ состоит в том, что наша Галактика подобно другим спиралям представляет собой весьма уплощенную систему, а Солнце находится всего лишь в десятке парсек от ее плоскости симметрии. Хорошей моделью может служить очень тонкий диск, например, патефонная пластинка. Поглощающая свет пылевая среда расположена в очень тонком слое. Поэтому, если сверхновая вспыхнет на «том конце» диска, ее свет будет проходить много тысяч парсек через пылевой слой и может совсем поглотиться. Другие же галактики, как правило, находятся в направлениях, образующих большие углы с плоскостями галактического диска. Поэтому свет будет проходить через поглощающую среду сравнительно короткие отрезки, порядка сотен парсек.

Несмотря на это, вспышка сверхновой должна в нашей Галактике, как правило, сопровождаться сильнейшим оптическим эффектом. Тот же Лундмарк специально исследовал старинные исторические хроники с целью найти в них указания на внезапно вспыхивавшие звезды, которые в некоторых случаях могли быть сверхновыми. Этим увлекательным делом занимались и до Лундмарка (Биа, Гумбольдт и др.). Но только шведский астроном знал, что надо искать — он искал древние вспышки сверхновых звезд. В своих поисках он добился выдающихся результатов.

Работами Лундмарка и его последователей доказано, что в нашей Галактике за последние 1000 лет наблюдались по крайней мере шесть сверхновых: в 1006, 1054, 1181, 1572, 1604 и 1667 годах. Особую роль в истории астрономии сыграла сверхновая 1054 г., на месте которой находится знаменитая Крабовидная туманность. Но, конечно, ясно, что для изучения этого уникального явления древних хроник совершенно недостаточно — необходимо было наладить специальную наблюдательную службу, чтобы «подкараулить» вспышки сверхновых в других звездных системах, где они происходят на наших глазах. Идея таких поисков очень проста: если в каждой конкретной галактике вспышка сверхновой происходит всего лишь раз в несколько сотен лет, то систематически «патрулируя» много сотен галактик, в среднем каждый год можно надеяться (если не прозевать!) наблюдать одну-две сверхновые. Трудности такого поиска, однако, состоит в том, что заранее совершенно не известно, в какой именно галактике произойдет вспышка.

Впервые «службу вспышек сверхновых» осуществил в 1933 г. Цвикки, который для этой цели использовал весьма скромный 10-дюймовый телескоп. Он проводил систематические поиски в 175 площадках неба, в которых находилось большинство сравнительно близких к нам галактик. Таким образом, он внимательно следил за 3000 галактик ярче 15-й величины, из которых 700 были ярче 13-й величины. Результаты этой планомерной работы не замедлили сказаться. Всего за период 1936—1939 гг. он наблюдая в разных галактиках 12 вспышек сверхновых. Учитывая неизбежные несовершенства системы патрулирования, из своих наблюдений Цвикки сделал важный вывод, что в среднем в каждой галактике происходит одна вспышка в 360 лет.

Работу Цвикки проводил в самой тесной кооперации с другими астрономами. Найденные им сверхновые со всей возможной тщательностью исследовались фотометрически и спектроскопически. Были получены кривые блеска этих сверхновых, а также их спектры. После перерыва, вызванного второй мировой войной, исследования были возобновлены в 50-х годах с более совершенными наблюдательными средствами. Количество вновь обнаруженных сверхновых резко увеличилось. Так, например, если за период времени 1885—1956 гг. всего было обнаружено 54 сверхновых, то между 1956 и 1963 гг. их было обнаружено уже 82. К 1983 г. всего было зарегистрировано около 500 сверхновых.

Эти исследования показали, что сверхновые отнюдь не представляют собой однородную группу объектов. Прежде всего кривые блеска обнаруживают большое разнообразие. В первом приближении, по своим наблюдательным особенностями, сверхновые делятся на два типа. На рис. 1 приведена схематическая кривая блеска сверхновой I типа. После быстрого подъема яркость в течение длительного времени почти постоянна. Затем блеск сверхновой довольно быстро падает, после чего дальнейшее увеличение ее видимой величины идет почти по линейному закону, что соответствует экспоненциальному уменьшению светимости. Обращает на себя внимание большое сходство кривых блеска у разных сверхновых после максимума. Совершенно другой тип кривых блеска показывают сверхновые II типа (рис. 2). Они отличаются большим разнообразием. Как правило, их максимумы «уже» (т. е. они занимают меньше времени). На заключительной стадии кривые блеска сверхновых этого типа значительно круче. Иногда наблюдаются вторичные максимумы и т. д. Очень вероятно, что сверхновые этого типа не представляют однородной группы объектов.

Зная расстояния до галактик, где произошли вспышки сверхновых, можно найти их абсолютные величины в максимуме блеска. Они близки к -20^m, что соответствует светимости, доходящей до 3×10⁴³ эрг/с — почти в десять миллиардов раз больше светимости Солнца! Зная кривые блеска, можно найти, что всего за время вспышки такая звезда излучает до 10⁵⁰ эрг. Чтобы излучить такое количество энергии, Солнцу надо миллиард лет, а здесь она освобождается за несколько месяцев.

Очень интересной и, несомненно, важной является зависимость типа сверхновой от характеристики галактики, в которой произошла вспышка. Сверхновые II типа вспыхивают только в ветвях спиральных галактик, между тем как в эллиптических и «неправильных» галактиках вспыхивают только сверхновые I типа. Заметим, однако, что в спиральных галактиках (например, в нашей Галактике) вспыхивают как сверхновые II, так и I типов. Тот факт, что в эллиптических галактиках вспыхивают только сверхновые I типа, сам по себе весьма многозначителен. Дело в том, что по современным представлениям, основывающимся на теории звездной эволюции и наблюдательных данных, в составе звездного населения таких галактик практически нет звезд, масса которых превышала бы некоторый предел, близкий к массе Солнца. В эллиптических галактиках почти нет межзвездной среды, и поэтому процесс звездообразования давно уже там прекратился. Следовательно, звездное население таких галактик — это очень старые звезды с малой (не больше солнечной) массой. Когда-то, около 10 миллиардов лет назад, когда в эллиптических галактиках бурно протекал процесс звездообразования, там рождались и массивные звезды. Но сроки их эволюции сравнительно невелики, и они давно уже прошли стадию красных гигантов, превратились в белые карлики и другие «мертвые» объекты. Отсюда следует важный вывод, что сверхновые I типа до взрыва — это очень старые звезды, масса которых если и превосходит массу Солнца, то очень ненамного (скажем, на 10—20%). Так как кривые блеска и спектры всех сверхновых этого типа удивительно сходны, мы можем утверждать, что и в спиральных галактиках (например, в нашей) звезды, вспыхивающие как сверхновые I типа, суть очень старые объекты со сравнительно небольшой массой.

Что касается звезд, вспыхивающих как сверхновые II типа, то логично сделать вывод, что это молодые объекты. Это следует из того простого факта, что они находятся в спиральных рукавах, где из газово-пылевой среды рождаются звезды. Они наблюдаются в сравнительной близости от места своего рождения просто потому, что за время своей жизни еще не успели оттуда уйти. Принимая во внимание, что беспорядочная скорость звезд (и облаков газа) в области спиральных рукавов близка к 10 км/с, а толщина рукава порядка сотен парсек, можно сделать вывод, что возраст звезд, вспыхивающих как сверхновые II типа, не превышает нескольких десятков миллионов лет. Но, с другой стороны, даже ничего не зная о конкретном механизме вспышки (вернее, взрыва) звезды, можно утверждать, что такая «неприятность» с ней может случиться только после того, как она сойдет с главной последовательности и начнет весьма сложный заключительный этап своей эволюции. Какие же звезды «живут» на главной последовательности не дольше, чем несколько десятков миллионов лет? Очевидно, только достаточно массивные звезды, у которых масса во всяком случае превышает 10 солнечных масс. Итак, из очень простых рассуждений мы пришли к выводу, что звезды, вспыхивающие как сверхновые II типа, это молодые, очень массивные объекты. Когда они находились на главной последовательности, они представляли собой звезды спектральных классов O и B, т. е. горячие голубые гиганты. Однако тот факт, что в неправильных галактиках типа Магеллановых Облаков вспыхивают только сверхновые I типа, явно не вяжется с нарисованной сейчас картиной. Ведь у этих галактик очень много горячих массивных звезд — почему же там не наблюдаются сверхновые II типа?

Как уже подчеркивалось выше, в случае сверхновых I типа вспыхивают очень старые звезды, масса которых лишь немного превышает массу Солнца. Закономерный конец эволюционного пути таких звезд — это превращение их в белый карлик с одновременным образованием планетарной туманности. Ежегодно в нашей Галактике образуется несколько планетарных туманностей, следовательно, такое же количество звезд с массой чуть побольше солнечной кончает свой жизненный путь, превращаясь в белые карлики. И только приблизительно раз в сотню лет (может быть, правда, немного чаще) происходит вспышка сверхновой I типа, причем вспыхивающая звезда должна иметь ту же массу, что и «предки» планетарных туманностей. Но это означает, что только одна из сотни звезд с одинаковыми (сравнительно небольшими) массами кончает свой путь как сверхновая I типа.

Так же как и кривые блеска, отличаются друг от друга и спектры сверхновых I и II типов. Более «привычный» вид имеют спектры сверхновых II типа. У них на фоне весьма интенсивного непрерывного спектра наблюдаются широкие полосы излучения и поглощения. Из распределения энергии в непрерывном спектре около максимума блеска звезды следует, что температуры излучающих газов очень велики: выше 40 000 К. В этом отношении спектры сверхновых II типа напоминают горячие звезды спектрального класса В. Основные полосы излучения и поглощения уверенно отождествляются с линиями водорода, гелия и некоторых других элементов. Исключительно большая ширина полос объясняется эффектом Доплера, вызванным огромными, в разные стороны направленными скоростями масс газа, который производит излучение и поглощение. Эти скорости доходят до 10 000 км/с. Спектры сверхновых II типа похожи на спектры обычных новых звезд, которые хорошо исследованы и объясняются выбрасыванием во время вспышек значительного количества газа. Разница, однако, состоит в том, что ширина полос излучения и поглощения у сверхновых II типа гораздо больше. Применение надежных астрофизических методов анализа таких спектров позволяет оценить массу выброшенного во время вспышек газа. У сверхновых II типа она превосходит одну солнечную массу, в то время как у обычных новых выбрасывается во время вспышки 10^-4—10^-5 массы Солнца. Само увеличение блеска сверхновой после начала вспышки объясняется непрерывным ростом излучающей поверхности у расширяющейся с огромной скоростью массы газа при непрозрачности последнего. После максимума выброшенная оболочка становится прозрачной и ее дальнейшее расширение влечет за собой уменьшение светимости, так как плотность оболочки будет быстро падать. Выброшенная во время вспышки масса газа навсегда порывает связь со вспыхнувшей звездой и движется в межзвездном пространстве, взаимодействуя с межзвездной средой. Такие огромных размеров оболочки — туманности, образовавшиеся после взрыва сверхновых звезд, существуют десятки тысяч лет и представляют собой весьма важные объекты астрономических исследований. Обратим внимание на большую величину массы, выброшенной во время вспышек сверхновых II типа, — это явно доказывает, что вспыхнувшие звезды были достаточно массивны — результат, который мы получили выше косвенными методами.

Иначе выглядят спектры сверхновых I типа. Они очень похожи друг на друга и, что особенно любопытно, одинаково меняются со временем у разных сверхновых. Можно даже определить по виду такого спектра время, прошедшее после вспышки. Эти спектры имеют вид очень широких, частично перекрывающихся полос излучения. Стечением времени отдельные полосы постепенно исчезают, появляются новые полосы, а относительная их интенсивность меняется. Долгое время астрономы не могли разобраться в спектрах сверхновых I типа, хотя недостатка в гипотезах, конечно, не было. Только лет 25 назад американский астроном Мак Лафлин напал на верный путь. Предыдущие исследователи были «загипнотизированы» широкими полосами излучения в спектрах этих сверхновых, тщетно пытаясь их отождествить. Американский астроном обратил внимание на «провалы» между полосами, истолковав их как полосы поглощения, «выедающие» непрерывный спектр. Он получил несколько новых спектрограмм сверхновых I типа, на которых присутствие полос поглощения настолько ярко выражено, что не вызывает сомнения. Эти полосы поглощения Мак Лафлин отождествил с линиями гелия, кальция и некоторых других элементов, причем излучающиеся газы беспорядочно движутся со скоростью ~ 10 000 км/с. В дальнейшем метод, предложенный Мак Лафлином, был успешно применен для расшифровки спектров сверхновых звезд I типа советскими астрономами Ю. П. Псковским и Э. Р. Мустелем.

Ю. П. Псковский исходил из плодотворной идеи, что спектры сверхновых I типа должны быть сходны со спектрами горячих сверхгигантских звезд. Основная часть излучения сверхновых должна состоять из непрерывного спектра, который по мере расширения оболочки сверхновой должен становиться все более «красным». Наблюдения изменений цвета сверхновых I типа обосновывают эту картину. Характерной особенностью спектров горячих сверхгигантов является так называемый «эффект абсолютной величины». Это значит, что в спектре следует ожидать присутствия прежде всего линий поглощения однажды ионизованных атомов достаточно обильных элементов. В спектрах сверхновых эти линии из-за огромной скорости расширения оболочки, доходящей до 20 000 км/с, должны быть сильно расширены (размыты) и значительно смещены в «фиолетовую» (т. е. коротковолновую) сторону.

Наблюдения последних лет полностью подтвердили эту концепцию. Большой удачей была вспышка яркой сверхновой I типа в близкой карликовой галактике NGC 5253. Было получено значительное количество спектров этой сверхновой на разных стадиях ее эволюции. Решающим подтверждением «абсорбционной» интерпретации спектров сверхновых I типа было обнаружение в их спектрах (в частности, в спектре сверхновой в NGC 5253) линий поглощения ионизованного кальция в близкой инфракрасной области, которые имели точно такое же «фиолетовое» смещение, как и сильные линии поглощения в близкой ультрафиолетовой части спектра, отождествляемые с хорошо известными резонансными линиями H и K ионизованного кальция.

Кроме этих линий, являющихся самыми интенсивными, в спектрах сверхновых I типа надежно отождествлена известная резонансная линия натрия и некоторые другие линии. Большое количество спектральных линий в спектре сверхновых I типа пока не удается отождествить, так как эти линии сильно размыты и перекрывают друг друга.

Важным отличием спектров сверхновых I типа от спектров сверхновых II типа является отсутствие у первых сколько-нибудь интенсивных линий водорода. Похоже на то, что обилие водорода по отношению к другим элементам в оболочках сверхновых I типа значительно ниже «нормального», характерного для сверхновых II типа. Это лишний раз говорит в пользу представления о том, что звезды, вспыхивающие как сверхновые I типа, — старые, сильно проэволюционировавшие объекты со сравнительно малой массой.

Новая интерпретация спектров сверхновых открывает возможность решить важную космологическую проблему — надежно определить расстояния до галактик и уточнить характер расширения Вселенной. Из спектральных наблюдений определяется скорость расширения оболочки сверхновой; отсюда непосредственно можно получить линейный радиус фотосферы R_ф. Те же наблюдения дают температуру фотосферы T. Отсюда по формуле L = 4πR_ф²σT⁴ определяется светимость сверхновой, а следовательно, ее абсолютная величина. Сравнение с видимой величиной сразу же дает расстояние до сверхновой, а следовательно, — до соответствующей галактики. Таким образом, было найдено, что так называемая «постоянная Хаббла» (основная величина, характеризующая скорость расширения Вселенной) H = 55 км/с · Мпс; отсюда следует, что возраст Вселенной около 15 миллиардов лет. По-видимому, это одно из наиболее надежных определений величины H.

 

Источники

 

См. также