О подробностях судьбы взорвавшейся десять тысяч лет назад сверхновой расскажут её разлетающиеся останки

Персонал аэрокосмических агентств NASA и ESA не торопился знакомить общественность с результатами многолетних наблюдений за туманностью Петля Лебедя. Снимки, сделанные в 1994 и 1997 годах, были обнародованы только минувшим летом. Фото: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration; J. Hester (Arizona State University)

Вся туманность Петля Лебедя простирается на небесной сфере примерно на три градуса, то есть около шести лунных дисков, и является довольно крупным наблюдательным объектом. Спутанные струи газа, похожие на нити дыма, возникли в результате чудовищного выброса энергии — взрыва сверхновой, произошедшего в считанные минуты. Сорвавшиеся с поверхности звезды осколки с огромными скоростями разлетелись в окружающем пространстве. Они — это все, что осталось от когда-то светившей в свое удовольствие звезды в галактике Млечный Путь. 

Кто они — умирающие звезды?

Нам кажется, что звезды, мерцающие в ночном небе, светят бесконечно. К сожалению, это не так: рано или поздно все они умирают. И то, как они умирают, зависит от их масс. Да и жизнь их тоже от этого зависит. Чем больше звезда, тем короче её жизнь и тем ярче её конец. Жизнь самых массивных звезд заканчивается эффектной грандиозной вспышкой — взрывом сверхновой. При этом зависит от случая, взрывается ли звезда полностью и рассеивается потом в пространстве туманным облаком, разлетаются ли с огромной скоростью только внешние слои, в то время как ядро звезды катастрофически сжимается. Также от массы зависит, что останется от звезды — нейтронная звезда, белый карлик или черная дыра: крайне плотные массивные объекты небольшого размера, оказывающие значительное гравитационное влияние на окружающее космическое пространство. От взрыва сверхновой остается только разлетающийся газ, в который превратилось вещество звезды и на который оседает межзвездный газ. Взаимодействие выброшенного при вспышке вещества с межзвёздным газом определяет эволюцию и наблюдательные проявления остатка взрыва сверхновой. А в результате формируется видимая туманность — надолго сохраняющийся след гигантской космической катастрофы.

Остатки вспышек сверхновых охватывают область межзвездной среды размером десятки парсек— от двадцати до сорока, а туманность, оставшаяся после взрыва, может оставаться видимой очень долго, после того как угаснет породивший её взрыв. 

Стремительный разлет оболочки сверхновой создает в межзвездной среде систему ударных волн, которые распространяются по окружающему околозвездному газу в виде быстро расширяющегося гигантского пузыря — со скоростью 100–300 км/с, сгребая околозвездную материю и выметая материю прочь от взорвавшейся звезды. 

Во время первой экспедиции к орбитальной обсерватории «Хаббл» астронавты выполнили целый комплекс сервисных работ — в том числе, по модернизации телескопа. Франклин Стори Масгрейв (Franklin Story Musgrave), закрепившись на роботизированной стреле, работает в открытом космосе. Фото: NASA

Ударные волны — энергетические гончие Галактики

Газ в облаке движется со сверхзвуковыми скоростями, из-за чего возникают фронты ударных волн, на которых плотность, давление, температура, степень ионизации газа и другие его параметры меняются скачком. Эти фронты движутся в пространстве с огромными скоростями, унося от взорвавшейся звезды значительное количество энергии. Взрыв одной сверхновой освобождает такое количество энергии, которое может затмить целую галактику со всеми её звездами вместе взятыми. 

Вообще, такие взрывы — основной источник сильных ударных волн в межзвездной среде. Разлет вещества при этом охватывает столь обширную область в пространстве, что звезду, со взрыва которой всё и началось, можно считать просто точкой. А возникающая туманность приобретает постепенно вид расширяющейся оболочки, по форме близкой к сферической.

Выбрасываемое вещество движется со скоростями в сотни и тысячи километров в секунду, поэтому температура газа за фронтом ударной волны может достигать многих миллионов и даже миллиардов градусов.

Газ, нагретый до температуры несколько миллионов градусов, излучает главным образом в рентгеновском диапазоне, — а его спектр может быть как непрерывным, так и линейным. В видимой же части такой газ светится очень слабо, и обнаружить его с помощью оптических наземных телескопов практически невозможно. Когда ударная волна встречает неоднородности межзвездной среды, происходит дифракция, и волна огибает уплотнения. Но внутри уплотнений возникает вторичная ударная волна, её фронт движется медленнее и индуцирует излучение уже в спектральных линиях оптического диапазона. Именно так возникают яркие волокна, хорошо заметные на фотографиях, полученных «Хабблом». Основной ударный фронт, обжимая сгусток межзвездного газа, увлекает его за собой, но с меньшей, чем у ударной волны, скоростью.

Через десятки и сотни лет на месте катастрофы наблюдаются плотные сгустки материи и волокна нагретого ударными волнами околозвездного газа, возможно, выброшенного самой же звездой задолго до того, как она сгорела в огне взрыва сверхновой. 

В Галактике обнаружено около ста двадцати пяти остатков вспышек сверхновых, и большая их часть наблюдается только в радиодиапазоне. Примерно сорок таких остатков, находящихся не далее 4–5 кпс от Солнца, отождествлены с оптическими туманностями, свет остальных поглощается газово-пылевой средой Галактики. 

Туманность Вуаль

Большинство галактических остатков взрывов сверхновых, возраст которых составляет десятки тысяч лет, достаточно стары, и среди них наиболее детально исследован такой объект как Петля Лебедя, также известный как туманность Вуаль.

Главное зеркало телескопа, установленного на «Хаббле», не так уж и велико по земным меркам — меньше двух с половиной метров. Но оказавшись вынесенным за пределы земной атмосферы, оно позволяет получать результаты, просто не мыслимые на земле. Фото: NASA

Снимки, выполненные телескопом «Хаббл» с высоким разрешением, так же, как и наземные наблюдения — хотя в них разрешение достигается значительно более низкое — позволяют наблюдать характерные структурные особенности газовых остатков: отчетливые волокна и более или менее равномерное свечение между ними. Это соответствует двум разным аспектам ударной волны: волокна — это вид её сбоку, а рассеянное свечение соответствует наблюдению ударной волны, так сказать, анфас.

Туманность Петля Лебедя — это типичный зрелый остаток сверхновой, являющийся идеальной лабораторией для изучения физики процессов, происходящих в остатках сверхновой. По галактическим меркам, она находится фактически рядом с нами и имеет достаточно крупную угловую протяжённость, а также относительно слабую экстинкцию, то есть гашение света, идущего от объекта, в межзвездной среде в разделяющем нас пространстве.

«Хаббл» — третий глаз астрономов 

Слабое свечение туманности Петля Лебедя в оптическом диапазоне удалось рассмотреть только с помощью орбитальной обсерватории «Хаббл», созданной двумя космическими агентствами — северо-американским NASA и общеевропейским ESA — специально для проведения подобных исследований. Основное внимание «Хаббл» уделяет рассеянным и слабым объектам нашей галактики, недоступным для земного наблюдателя из-за наличия атмосферы. 

Земная атмосфера поглощает значительную часть излучения, которое посылает нам космос, в том числе в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне. Благодаря этому мы все спокойно можем загорать на пляжах, получая ровный загар, а не гарантированный рак кожи. Но такая непрозрачность заметно осложняет изучение космоса. Атмосфера, поглощая значительную часть излучения, идущую к нам от далеких объектов, лишает нас также львиной доли информации об объекте, которую ученые и их аппаратура могли бы получить. 

Космический телескоп, в отличие своих земных товарищей, способен находить и фотографировать объекты, излучающие в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах, то есть огромное число объектов, чья природа недоступна земному наблюдателю — остатков взрывов сверхновой, молекулярных газовых облаков, квазаров, радиогалактик, планет дальних солнечных систем и прочих. 

В 1993 году на «Хаббле» была установлена усовершенствованная широкоформатная планетарная камера (WFPC2), которая оказалась способна охватить больший объем пространства на фотографию, и с большим разрешением. Огромное число объектов стало ближе к нам, землянам, во всех смыслах этого слова, посредством этого замечательного устройства. Среди них пристально стали изучаться такие объекты как остатки вспышек сверхновых. Ученые и ранее находили оптически видимые туманности неясного происхождения на небесной сфере, однако только возможность внеатмосферных наблюдений позволила расширить этот список, и более того, объяснить возникновение подобного вида объектов. 

Той же широкоугольной камерой, установленной на телескопе «Хаббл», был получен снимок, с помощью которого ученые смогли уточнить расстояние до туманности и точнее рассчитать время взрыва. По полученным теперь оценкам взрыв произошел 5–10 тыс. лет назад, и древние цивилизации, жившие тогда на Земле, имели возможность оказаться свидетелями этого зрелища. Это могло выглядеть как внезапное увеличение блеска звезды до яркости полумесяца, сжавшегося в точку. Возможно, её свет даже отбрасывал тень, как бывает, например, с Венерой в пик её яркости, или c той же Луной. Уточненное учеными расстояние от Земли до этой туманности оказалось равным 1440 световым годам.

Сверхновые звезды и их остатки представляют для астрономов особый интерес. Процессы, происходящие при взрыве, играют огромную роль в жизни нашей Галактики и при формировании её структуры. 

Бегущие по газовому облаку фронты ударных волн, увиденные сбоку, выглядят как пук волокон. Фото: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration; J. Hester (Arizona State University)

Хотя за сто лет, в среднем, в нашей Галактике всего несколько звезд завершают свой жизненный путь таким бурным способом, но эти взрывы являются во Вселенной запускающим механизмом синтеза более тяжелых элементов, чем железо. Дело в том, что условия внутри звезды — температура и давление — могут обеспечить формирование химических элементов только до железа. А все более тяжелые химические элементы таблицы Менделеева, которые окружают нас на Земле и являются необходимыми составляющими зарождения жизни, — такие, как медь, ртуть, золото, свинец или йод — были созданы в топке этих космических взрывов миллиарды лет назад. Разлетающиеся оболочки остатков сверхновых, смешиваясь с другой материей Галактики, превращались в сырье для рождения новых поколений звезд, и планет. Тяжелые химические элементы, из которых состоит Земля, планеты, животные, да и мы сами, были образовались в глубинах древних звезд при взрывах сверхновых. Зелень трав и алый цвет крови — это поистине цвета звездной пыли.

Ника Нагорная