Як народжуються і вмирають зірки?

Зірки народжуються і вмирають по всій Всесвіту. Спостерігаючи за різними стадіями життя зірок, вчені розшифровують їх «біографії». Зірка середньої величини живе близько 10 мільярдів років. Малі зірки можуть прожити до 200 мільярдів років. У великих зірок коротке життя — близько 10 мільйонів років. Зірки виникають газопылевых хмар, званих туманностями. Протягом свого життя зірки не залишаються незмінними, з часом їх хімічний склад змінюється, в їх надрах народжуються нові хімічні елементи.

Як виникають наднові зірки?

Наднова зірка — це останній вибух супергігантської зірки в кінці її життя. Наднова зірка існує близько тижня, але світить так яскраво, як галактика з мільярдів звичайних зірок. Вибух наднової зірки відбувається, коли супергігантська зірка спалює все своє водневе і гелиевое паливо і стискається. Тиск при цьому страшенно зростає. Коли залізо починається плавитися в її надрах, зірка поступово стискається, а потім відбувається потужний вибух.

Астрономи знайшли спосіб передбачати вибухи помираючих зірок

Коли масивна зоря наближається до кінця свого життя, вона проходить кілька бурхливих фаз. Глибоко в її ядрі відбувається перехід від синтезу водню до синтезу важких елементів, починаючи з гелію і переходячи до вуглецю, кисню, магнію та кремнію.

В кінці ланцюжка зоря врешті-решт утворює залізо у своєму ядрі. Оскільки залізо висмоктує енергію, а не вивільняє її, це означає кінець для зірки, і менш ніж за десяток хвилин вона фактично вивертається навиворіт у фантастичному вибуху, який називається надновою.

Але за всією тією метушнею, яка відбувається в серці зорі, ззовні важко сказати, що саме відбувається. Звичайно, під кінець свого життя ці гігантські зірки роздуваються до екстремальних розмірів. Вони також стають надзвичайно яскравими – до десятків тисяч разів яскравішими за Сонце. Але через те, що поверхня зірок настільки розтягнута, їх зовнішня температура фактично падає, через що вони виглядають як червоні гіганти.

Найвідомішим прикладом такої наднової зорі є Бетельгейзе. Якби вона перебувала в межах нашої Сонячної системи, ця зірка, яка лише в 11 разів масивніша за Сонце, розтягнулася б до орбіти Юпітера. Вона може стати надновою з дня на день, але “з дня на день” для астрономії означає через мільйон років. Хоча ми знаємо, що такі зорі врешті-решт вибухають надновими, немає способу отримати більш точну оцінку, ніж ця. Або, принаймні, так було раніше.

Свідчення початку смерті зорі

Тепер команда астрономів розробила спосіб виявлення наднових, які, ймовірно, вибухнуть протягом декількох років. Вони спеціально вивчали кілька десятків унікального типу наднових, відомих як наднові типу II-P. На відміну від інших, ці вибухи залишаються яскравими протягом тривалого часу після початкового спалаху.

У кількох прикладах астрономи переглянули старі каталоги і знайшли зображення зірок до того, як вони вибухнули, і всі вони, схоже, були червоними надгігантами, такими як Бетельгейзе. Це чітке свідчення того, що такі зорі є кандидатами в наднові, готові вибухнути будь-якої миті.

Вважається, що зірки, які призводять до таких наднових, мають щільні матеріальні оболонки, що оточують їх перед вибухом. Ці оболонки на порядки щільніші, ніж ті, що вимірюються навколо Бетельгейзе. Саме нагрівання цього матеріалу від початкової ударної хвилі спричиняє затримку яскравості; просто навколо лежить більше матеріалу, який продовжує світитися після перших ознак вибуху.

Червоний гігант / Фото NASA

Ця щільна оболонка також призводить до того, що цей тип наднових стає видимим швидше, ніж їхні більш відкриті родичі. Коли вибух відбувається спочатку, ударна хвиля вдаряє в речовину навколо зірки, що призводить до того, що ударна хвиля втрачає пару при проходженні через неї. Хоча спочатку енергії від наднової достатньо, щоб випустити високоенергетичне випромінювання, таке як рентгенівське і гамма-випромінювання, після змішування ударної хвилі і навколишнього матеріалу, воно стає видимим в оптичному діапазоні довжин хвиль.

Отже, здається, що ці щільні матеріальні оболонки навколо зірок також є ознакою того, що наднова ось-ось відбудеться.

Зірковий кокон

Але скільки часу потрібно, щоб сформувати цю матеріальну пелену? Дослідники вивчили дві моделі. В одній зірка дмухала високошвидкісними вітрами зі своєї поверхні, які повільно відокремлювали шматочки себе і розносили їх навколо, створюючи саван протягом десятиліть. У другій моделі зірка пережила потужний переднадновий вибух, який менш ніж за рік відправив на орбіту газ масою до однієї десятої маси Сонця.

Потім дослідники змоделювали, як весь цей матеріал вплине на наші зображення зірки. У будь-якому випадку, як тільки зоря побудувала свій саван, вона була б сильно затьмарена таким чином, що наша нинішня технологія отримання зображень могла б це виявити.

Оскільки у нас є прямі зображення деяких наднових зірок, зроблені менш ніж за 10 років до того, як вони вибухнули, астрономи дійшли висновку, що повільно-постійна модель не спрацює. В іншому випадку зірка була б затемнена.

Все це означає, що як тільки надгігантська зірка створює навколо себе товсту матеріальну оболонку, вона, швидше за все, стане надновою протягом декількох років.

Як помирають зірки

Нам випало жити в молодому Всесвіті, повній молодих зірок. Всім їм належить пройти кілька етапів зіркової еволюції – спалити водень у своїх надрах і вибухнути або повільно охолонути. Коли світ стане в тисячу разів старше, ніж зараз, на місці колись яскравих світил з’являться загадкові чорні карлики або чорні діри, а деяким зіркам судилося просто розсіятися в космічній порожнечі.

Якщо десь у Всесвіті накопичується достатньо речовини, вона стискається в щільну грудку, в якій починається термоядерна реакція. Так запалюються зірки. Перші спалахнули в темряві юного Всесвіту 13,7 мільярдів (13,7 * 1 09) років тому, а наше Сонце – всього якихось 4,5 мільярда років тому. Термін життя зірки і процеси, що відбуваються в кінці цього терміну, залежать від маси зірки.

Поки в зірці триває термоядерна реакція перетворення водню на гелій, вона знаходиться на головній послідовності. Час знаходження зірки на головній послідовності залежить від маси: найбільші і важкі швидко доходять до стадії червоного гіганта, а потім сходять з головної послідовності в результаті вибуху наднової або утворення білого карлика.

Доля гігантів

Найбільші і масивні зірки згорають швидко і вибухають надновими. Після вибуху надновою залишається нейтронна зірка або чорна діра, а навколо них – матерія, викинута колосальною енергією вибуху, яка після стає матеріалом для нових зірок. З наших найближчих зоряних сусідів така доля чекає, наприклад, Бетельгейзе, однак коли вона вибухне, підрахувати неможливо.

Туманність, що утворилася в результаті викиду матерії при вибуху наднової. У центрі туманності – нейтронна зірка.

Нейтронна зірка – це страшний фізичний феномен. Ядро зірки, що вибухнула, стискається – приблизно так само, як газ у двигуні внутрішнього згоряння, тільки в дуже великому і ефективному: куля діаметром у сотні тисяч кілометрів перетворюється на кульку від 10 до 20 кілометрів на поперечнику. Сила стиснення така велика, що електрони падають на атомні ядра, утворюючи нейтрони – звідси назва.

Нейтронна зірка (видіння художника)

Щільність матерії при такому стисненні виростає приблизно на 15 порядків, а температура піднімається до неподаних 10 12 К в центрі нейтронної зірки і 1 000 000 К на периферії. Частина цієї енергії випромінюється у формі фотонного випромінювання, частина забирають з собою нейтрино, що утворюються в ядрі нейтронної зірки. Але навіть за рахунок дуже ефективного нейтринного охолодження нейтронна зірка остигає дуже повільно: для повного вичерпання енергії потрібно 10 16 або навіть 10 22 років. Що залишиться на місці гостилої нейтронної зірки, сказати складно, а поспостерігати – неможливо: світ занадто для цього занадто молодий. Існує припущення про те, що на місці гостилої зірки знову-таки утворюється чорна діра.

Чорні діри виникають в результаті гравітаційного колапсу дуже масивних об’єктів – наприклад, при вибухах наднових. Можливо, через трильйони років на чорні діри перетворяться найгостіші нейтронні зірки.

Доля зірок середніх масштабів

Інші, менш масивні зірки довше, ніж найбільші, залишаються на головній послідовності, зате, зійшовши з неї, помирають набагато швидше, ніж їхні нейтронні родичі. Більше 99% зірок у Всесвіті ніколи вибухнуть і не перетворяться ні на чорні діри, ні на нейтронні зірки – їх ядра занадто малі для таких космічних драм. Замість цього зірки середньої маси в кінці життя перетворюються на червоні гіганти, які, залежно від маси, перетворюються на білі карлики, вибухають, повністю розсіюючись, або стають нейтронними зірками.

Білі карлики становлять від 3 до 10% зоряного населення Вселенної, а їхня температура дуже велика – понад 20 000 К, більш ніж втричі більше, ніж температура поверхні Сонця – але все-таки менше, ніж у нейтронних зірок, і завдяки більш низькій температурі і більшій площі білі карлики остигають швидше – за 10 14 – 10 15 років. Це означає, що в найближчі 10 трильйонів років – коли Всесвіт стане в тисячу разів старше, ніж зараз, – у всесвіті з’явиться новий тип об’єкта:чорний карлик, продукт остигання білого карлика.

Поки що чорних карликів у космосі немає. Навіть найстаріші гостинні зірки на сьогоднішній день втратили максимум 0,2% своєї енергії; для білого карлика з температурою в 20 000 К це означає залишення до 19 960 K.

Для найменших

Про те, що відбувається, коли залишаються найменші зірки – такі, як наш найближчий сусід, червоний карлик Проксіма Центавра, науці відомо ще менше, ніж про наднових і чорних карликів. Термоядерний синтез у їхніх ядрах йде повільно, і на головній послідовності вони залишаються довше за інших – за деякими розрахунками, до 10 12 років, а після, імовірно, продовжать життя як білі карлики, тобто будуть сяяти ще 10 14 – 10 15 років до перетворення на чорний карлик.