Другая сверхновая

Spread the knowledge

Другая сверхновая

Original page: http://faculty.wcas.northwestern.edu/~infocom/The%20Website/other%20super.html

Вселенная – удивительное место, поэтому неудивительно, что есть две возможности сделать сверхновую. Два типа были идентифицированы в начале 20-го века, когда астрономы отметили очень своеобразную вещь: взрывы сверхновых проявляют либо много водорода в их спектрах, либо вообще нет . Это второе наблюдение довольно своеобразно. Много водорода – это то, что вы ожидаете от звездного взрыва, потому что у многих есть водород. Сверхновые, о которых мы только что говорили, безусловно, вытесняют большое количество водорода. Астрономы в то время не совсем поняли, что с этим делать, поэтому решили создать несколько ярлыков: они изобретательно назвали взрывы без водорода типа I и (более нормальные) с водородом типа II.

Мы только что видели, как происходит сверхновая типа II. Теперь давайте обсудим тип I.

Наше Солнце бывает одинокой звездой. Наше обсуждение эволюции звезд происходило под молчаливым предположением о том, что все звезды одинаково изолированы. Это справедливо для многих звезд – но. Когда звезды рождаются, можно получить только одну звезду, если газовое облако будет сжиматься симметрично. Если облако рушится кускообразно или с вытянутой формой, то обычно вы получаете систему с несколькими звездами. Наиболее распространенной формой множественной системы является двоичная или двойная звездная система, в которой звезды вращаются друг вокруг друга, а также гирь на обоих концах гантели. Однако несколько систем, включающих три, четыре, даже шесть звезд, не редкость. В окрестности Солнца из 148 звезд, которые, как известно, находятся в пределах 22,7 световых лет (не считая коричневых карликов), 73 одиночные звезды, 23 – двойные звезды, 8 – тройные звезды, а одна – пятикратная звезда, дающая в общей сложности 75 звезд в нескольких системах. Другими словами, звезды, вращающиеся вокруг других звезд, не редки. На самом деле, их больше, чем одиноких звезд!

Что это имеет отношение к звездной эволюции? Для большинства разных систем ничего. Расстояние между двойными звездами может сильно различаться от звезд, расположенных далеко друг от друга, что расстояние должно измеряться в светлые недели (они могут занять миллионы лет для завершения одной орбиты), чтобы звезды так близко друг к другу, что их атмосферы фактически перекрываются! (Последние по понятным причинам называются контактными бинарными .) Но, как правило, двойные звезды разнесены на части, подобные расстоянию между Солнцем и внешними планетами. Это соответствует расстоянию около 20 AU. (Один AU – это расстояние от Земли до Солнца, или 93 миллиона миль). На таких расстояниях каждая звезда может пройти через свою нормальную эволюцию, как будто другого нет, и поэтому они действуют так, как будто они одиноки. В эту категорию попадают все многозвездные системы в течение 40 световых лет или около того Земли.

Но время от времени обнаруживаются двойные звезды, разделенные только несколькими десятыми AU. Как обсуждалось на предыдущей странице, когда звезды попадают в красную гигантскую фазу, они превращаются в раздутых бегемотов, примерно равных размеру орбиты Земли, что составляет один AU. Это означает, что вы можете получить звезды, которые больше, чем двоичная система, в которой они находятся, и результат – сложный. На эту тему были написаны целые библиотеки очень толстых книг с узкими полями и небольшим типом, и мы все еще не понимаем, что все в порядке. Позвольте мне рассказать о нескольких «представительных» сценариях, которые отражают вкус того, что может случиться.

Контактный двоичный код

Предположим, мы создаем систему с двумя звездами, состоящую из нашего Солнца и другую, большую звезду, которую я назову «Jumbo». Мы дадим Jumbo массу 3.2 солнечной энергии. Звезда главной последовательности этой массы будет иметь температуру, близкую к белой, примерно на 4000 К ° более горячую, чем Солнце, радиус примерно в 3,3 раза больше, и она будет примерно в сто раз ярче. Мы поместим две звезды на орбиту вокруг друг друга на расстоянии 0,1 AU или 9,3 миллиона миль, что составляет примерно четверть расстояния между Солнцем и планетой Mercury. Это отнюдь не так близко, как могут быть звезды, но это достаточно близко для наших целей. Естественно, поскольку они были образованы из той же туманности, обе звезды имеют точно такой же возраст и имеют тот же химический состав.

В начале две звезды ведут себя так, как будто они одиноки. Если сделать масштабную модель, где Солнце представлено четырехдюймовым шаром, Jumbo будет 13-дюймовым шаром, установленным в трех с половиной футах от него. Это достаточно далеко друг от друга, что их структуры могут быть полностью определены из диктата обычного гидростатического равновесия. За исключением их движения в пространстве, две звезды не оказывают существенного влияния друг на друга. Они быстро движутся с периодом в пять с половиной дней.

Однако в конце трехсот миллионов лет счастливое сосуществование заканчивается. Значительная светимость Jumbo означает, что его центральное ядро ​​уже сгорело, хотя жизнь Солнца только началась. Джамбо начинает покидать основную последовательность и подниматься по красной гигантской лестнице. Но в отличие от одной звезды, Jumbo не может просто создать красивую планетарную туманность и уйти в небытие. По мере того, как его раздутая атмосфера расширяется наружу, она должна достигать орбиты Солнца, а затем Солнце начинает втягивать ее.

Следующие несколько сотен миллионов лет дико усложняются. Сначала Солнце поглощает весь газ, достигающий его, но в конечном итоге скорость, с которой расширяется атмосфера Юмбо, подавляет Солнце, и обе звезды окутаны одним облаком в форме линеек. В этой конфигурации некоторые из атмосферы Jumbo отталкиваются, крутятся и, в конечном итоге, попадают в глубокое пространство. Возможные осложнения, которые могут возникать в такой двоичной системе, включают колебания или волнистости в газовом облаке, неравномерный нагрев облака из-за пыли, нарушения солнечных бурь на звездах и т. Д. Хаос и путаница продолжаются до тех пор, пока Джамбо не начнет мигать гелием , и в этот момент его атмосфера внезапно рухнет, а затем массовый перенос прекратится. Пока Jumbo не разворачивается снова на следующей красной гигантской фазе, когда все это повторяется. Более или менее.

Двойная звезда, видимая с воображаемой планеты.

Мы не очень хорошо понимаем этот процесс. Однако наблюдения показывают, что в такой системе Солнце, вероятно, в конечном итоге поглотит около двух третей атмосферы водорода / гелия, которая достигает ее. Сдвиг в импульсе, вызванный этой передачей, сначала сближает две звезды, но когда Солнце достигает той же массы, что и Jumbo, оно меняет направление и действует, чтобы раздвинуть их. Между тем, газ, который выдувается из системы, уменьшает гравитационное притяжение между двумя звездами, таким образом, также стремится сделать их спиральными дальше друг от друга. Сильно противодействуя этому, магнитные поля двух звезд взаимодействуют с облаком горячего газа, подобно лопастям, вращающимся по воде, что действует как тормоз, замедляющий их вращение и, таким образом, побуждает их к спирали ближе друг к другу. Мюркий, хотя детали могут быть, нет сомнений в том, что во многих случаях звезды заканчиваются намного ближе друг к другу в конце массового переноса, чем они были в начале. Поскольку это именно тот сценарий, который нас интересует, это тот, который мы рассмотрим.

Когда пыль поселилась (или, может быть, я должна сказать, когда газ очистился), Джумбо был отброшен к белому карлику около 0,7 солнечных масс. Солнце накачивается до 1,5 раз по сравнению с его первоначальной массой и, таким образом, оно смещается вдоль основной последовательности в совершенно другой звездный класс. Его температура поверхности сейчас на 1000 ° К выше, чем раньше, и теперь она пробивается более чем в четыре раза по сравнению с прежней яркостью. Масштабная модель этой новой системы будет использовать пятидюймовый шар для представления Солнца, пятнышко, меньшее, чем период на этой странице, чтобы представлять теперь довольно слабо названное «Jumbo», и они, возможно, были бы на расстоянии ноги. Солнце и Джумбо теперь крутятся вокруг друг друга всего за два дня.

В течение следующих двух миллиардов лет или около того они снова окунутся в внутреннее спокойствие и просто по орбите. Поскольку их орбитальный период настолько короток, у них есть время, чтобы завершить около 360 миллиардов циклов (по сравнению с ничтожными 4,4 миллиардами циклов, которые Земля до сих пор завершала вокруг Солнца), поэтому вполне достаточно сказать, что такая двойная звезда системы нестабильны или недолговечны. Тем не менее, часы тикают.

Два миллиарда лет – это то, что для него доступно 1,5 солнечной звезды, прежде чем она исчерпает свой основной водород и начинает превращаться в красного гиганта. Это именно то, что делает «Солнце» в нашей двоичной системе. Но поворот – честная игра, и по мере того, как Солнце расширяется, а его внешняя атмосфера достигает белого карлика, интенсивная гравитация карлика начинает тянуть газ, как пылесос. К радости астрономов во всем мире существует так много путей, что двойная система может принять на этом этапе, что мы, вероятно, могли бы держать всех в астро-бизнесе, занятом в течение следующих двадцати лет, просто разработав детали. Очень тонкие факторы, в том числе их точное разделение, точные массы двух звезд, эксцентричность их орбиты, скорость их вращения и даже сильные стороны их магнитных полей, могут привести к резким изменениям в том, как взаимодействуют звезды.

Двойная звезда, видимая с воображаемой планеты.

Позвольте мне изложить пару более экстремальных (и, следовательно, более понятных) возможностей. Если белый карлик окажется на внешнем краю атмосферы красного гиганта, тогда у него может развиться закрученный аккреционный диск, где водород медленно спирали и мягко «мягкие земли» на поверхности белого карлика, что очень напоминает круговорот воды вниз, но физика сильно отличается. (Иллюстрация справа – это концепция художника). Огромная поверхностная гравитация карлика сжимает водород в ультраплотный «океан» всего на несколько метров, но весит 50 тонн на кварт. Океан плавно покрывает всю звезду.

Поток в этот океан может продолжаться от нескольких тысяч лет до нескольких сотен тысяч, в зависимости от того, насколько быстро белый карлик сбрасывает газ из атмосферы красного гиганта. Но есть проблема: водород нестабилен при сжатии до плотностей белого карлика. Я посвятил полный параграф на предыдущей странице объяснению того, как трудно добиться слияния водорода, но это при нормальных обстоятельствах. Поверхность белого карлика не является особенно обычным местом. Фактически, водородный синтез довольно прост для достижения белого карлика. Когда электронный «вырожденный» водородный «океан» карлика достигает глубины около 200 метров, давление на дне становится настолько высоким, что неизбежно, где-то на звезде размером с планету, начнется спонтанное слияние водорода.

Подобно тому, как сердцевина звезды подвергается гелиевой вспышке, электрон-вырожденный водород на белом карлике не может расширяться и охлаждаться. Таким образом, захваченное тепло из сплавляющегося водорода действует только для того, чтобы реакция протекала еще быстрее, и прежде чем вы сможете сказать «водородная вспышка», ядерная огненная буря поглощает всю звезду. Как планета с бензиновым океаном, белый карлик мгновенно поднимается (пламя ядерного пламени). В течение нескольких недель ядерный афер горит, а карлик эффектно прыгает на светимость в 100 000 раз больше, чем у Солнца. Такие события называются новас , от латыни для «новых», потому что, как видно с Земли, они кажутся новыми звездами, которые внезапно появились. (Это новас, что мы получаем имя для своих более крупных кузенов, сверхновых.) Новас удивительно распространены, потому что, в отличие от сверхновых, грузовик, который их приносит, не взорвется в конце пробега. Как только огненная буря пробежала, белый карлик практически не затронут, и единственный знак слева от новой – небольшая расширяющаяся оболочка горячего газа. Газ – это «пепел» водородного океана, который, наконец, нагревается до такой степени, что он может убежать. Но красный гигант все еще там, и его атмосфера все еще крутится на карлике, поэтому весь процесс начинается снова. В зависимости от точных параметров системы красные гигантские / белые карлики удваиваются, может взорваться тысячу раз, как это, в течение нескольких миллионов лет.

В противоположном пределе, если поток газа между звездами очень высок, водород ведет себя скорее как топливо для сварочной горелки, чем вода в тихом океане. Ключевым фактором является то, что газ, протекающий к белому карлику, формирует аккреционный диск в первую очередь, как показано выше, состоит в том, что он имеет другую скорость, чем карлик. Газ по сути пытается выходить на орбиту вокруг карлика. Одна из главных головных болей, которую теоретические астрофизики имеют с аккреционными дисками, состоит в том, что движущиеся по кругу предметы имеют большой импульс, и вы не можете вывести что-либо с орбиты, если вы не уменьшите свой импульс. (Исаак Ньютон очень настаивает на этом: импульс не позволяет просто исчезнуть.) В отличие от космического челнока, аккреционные диски не оснащены ретро-ракетами, поэтому необходимо задействовать другие механизмы, чтобы рассеять вращательный импульс и принести водород вниз. Обычный – трение. Идея состоит в том, что газ в диске будет двигаться с разной скоростью, в зависимости от того, насколько он далеко от карлика, а трение между потоками может замедлять газ, чтобы он мог спуститься.

Но такие механизмы требуют времени для работы. Если поток входящего газа слишком высок, вы очень быстро достигаете галактической версии остановленного слива. По мере того как газ накапливается в аккреционный диск быстрее, чем он может убежать, диск становится все толще, более массивным и более горячим. Гораздо жарче. Жестокая гравитация белого карлика создает бурный турбулентный диск с газовыми потоками быстрее 1000 миль в секунду. Поистине трение галактик-класса заставляет диск светиться в жарком 15 000 K ° и шипеть с еще более горячими горячими точками, которые могут достигать 70 000 K °. Копирующие вспышки рентгеновских лучей и жесткого ультрафиолетового излучения выливаются из раздуваемых газов, обеспечивая почти неограниченное сырье для диссертаций в области астрофизики.

Между тем, по белому карлику, сверхнагретый сверхзвуковой дождь выпадает из немыслимой грозы над ним, раскаленные капельки в пять тысяч раз превышают скорость стрелковой пули под огромной гравитацией карлика. Горячий водород воспламеняется практически на контакте, создавая кольцо ядерного огня вокруг экватора белого карлика. Белые карликовые / аккреционные дисковые системы, такие как это, могут «пульсировать» вкл / выкл, или они могут распыляться и кашлять беспорядочно, или они могут даже прийти к равновесию и сиять довольно устойчиво (все возможно). Средняя светимость таких карликов имеет тенденцию быть довольно высокой, примерно в 100 раз солнечной, поэтому они иногда ярче, чем красные гигантские звезды, наполняющие их!

Но зловеще, так как водород горит постоянно по мере его поступления, он не может собраться в электронно-вырожденный океан и взорваться, выбросив его гелий «пепел» в космос, как это делает новая. Если все физические параметры правы, и если поток газа от красного гиганта продолжается, белый карлик постоянно покрывается все более тяжелой мантией гелия.

Вернемся к нашей модельной системе, напомним, что Jumbo теперь представляет собой белый карлик размером с 0,7 солнечных масс, а Солнце – это звезда с солнечной энергией, которая пытается стать красным гигантом. Или, чтобы сделать акцент по-другому, Солнце – это звезда, пытающаяся пролить достаточно газа, чтобы присоединиться к Джумбо как белый карлик, потому что это естественный конец для красного гиганта. В качестве единственной звезды эволюция Солнца привела бы ее к испусканию планетарной туманности с массой около 1,5 – 0,6 = 0,9 солнечных масс. Но, будучи двойной звездой, газ, который образовал туманность, был взят Джумбо.

Эффективность переноса газа в бинарниках белого карлика / нормальной звезды составляет почти 100%. Когда вы добавляете 0,9 солнечных масс газа, которые Солнце пытается освободить от массы Юмбо, равной 0,7 солнечной энергии, у вас есть 1,6 солнечных масс. Это слишком много.

Уже опасно сжатый до размера Марса, Джамбо не может поглотить весь водород, завихряющийся от Солнца. Он должен в конечном итоге достичь критического предела 1,4 солнечных масс, предсказанного Чандрасекаром в 1931 году. После сотен тысяч лет массового аккреции должен наступить день, когда за меньшее время, чем требуется свеча для мерцания, Джамбо наконец и катастрофически рухнет.

А потом он останавливается! В отличие от центра красного сверхгиганта, Jumbo не состоит из 1,4 солнечных масс железа. Jumbo состоит почти полностью из гелия, углерода и кислорода, все из которых (в отличие от железа) совершенно готовы освободить энергию термоядерного синтеза. Огромное давление развала Чандрасекара мгновенно зажигает всю звезду, как если бы она была самой тяжелой термоядерной бомбой в галактике, что, на самом деле, так и есть. В течение доли секунды вещество висит на балансе, когда гравитация пытается разбить Джумбо на нейтронную звезду, а ярость ядерного синтеза пытается испарить Jumbo в раскаленный газ.

И победитель – ядерный синтез! В одном апокалипсическом взрыве Джамбо полностью разрушен и прекращает свое существование . Вся основная масса звезды превращается в радиоактивное облако, столь горячее, оно буквально светит светом 100 миллиардов звезд. Весь газ выбрасывается в космос на десятки тысяч метров в секунду. Около половины из них теперь железо, потому что это доля звезды, которая в течение нескольких секунд после взрыва смогла полностью слиться до дна «ядерной скважины». (Сверхновые типа I – это то, почему на Земле столько железа, по сравнению с другими металлами. Сверхновые сверхновых II типа, напротив, подавляют большую часть их железа в нейтронных звездах и не разделяют его с остальной галактикой.)

Примечательно, что что-то с менее чем половиной диаметра Земли может вызвать такой взрыв. Примечательно также, что сверхновые типа I и типа II почти одинаково светящиеся и создают ослепительные световые шоу, которые продолжаются почти в тот же промежуток времени, поэтому их так легко смутили астрономы начала века. Совпадение становится более примечательным, когда вы перестаете считать, что сверхновые типа II на самом деле примерно в 100 раз мощнее, чем сверхновые I типа! Но так как около 99% энергии в сверхновой С II типа излучаются как невидимые нейтрино, которые уходят от звезды и расы в космос, никогда больше не будут замечены, обнаруживаемая энергия из типа II почти такая же, как у Тип I. Два типа примерно равны по частоте: наблюдаемые сверхновые состоят примерно из 60% типа I и 40% типа II.

Это возвращает нас к вопросу, который начал это, таинственное различие в спектрах водорода двух типов сверхновых. Без сомнения, проницательный читатель уже понял, как это происходит, что сверхновые типа I могут взорваться и пока не показывать водород в спектрометре: у рушившихся белых карликов нет. Энергия слияния обеспечивается исключительно гелием и более тяжелыми элементами. 1

Что касается Солнца, то это удивительно невозмутимо, когда Джеймбо блеснул. Можно было бы подумать, что взрыв, столь яростный, может затмить целые галактики, происходящие буквально вне его атмосферы, испарит Солнце до ничего, кроме памяти. Однако это не так. Звезды очень массивные и (уже) очень горячие; даже взрыв сверхновой рядом с ними не может сделать больше, чем сдуть немного своей внешней атмосферы. Солнце потеряет только, возможно, 15% своей массы, и большая часть из них все равно проиграла бы на последних этапах своей жизни как красный гигант. Как ни странно, звезда партнера в сверхновой I типа почти не подвержена влиянию взрыва.

Кроме того, что у него больше нет партнера. Со всеми сложными явлениями переноса газа в конце Солнце реорганизует свои дела и становится совершенно нормальной звездой после красных гигантов. В конце концов, он уходит в отставку как скромный и респектабельный белый карлик, а не бесчестный вид, который взрывается.


1 - Фактически, тот факт, что сверхновые типа I показывают NO водород вообще, означает, что этот сценарий может быть не совсем правильным, потому что даже небольшое количество водорода, сдутого с звезды партнера, должно быть обнаружено. Одна из теорий заключается в том, что звезда-партнер фактически лишена всего своего водорода до взрыва сверхновой, а окончательный переворот де-глагов передается гелием, вытекающим из ядра звезды-партнера, а не водорода.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *