Если где-то во Вселенной накапливается достаточно вещества, оно сжимается в плотный комок, в котором начинается термоядерная реакция. Так зажигаются звёзды. Первые вспыхнули во тьме юной Вселенной 13,7 миллиардов (13,7*10 9) лет назад, а наше Солнце — всего каких-то 4,5 миллиарда лет назад. Срок жизни звезды и процессы, происходящие в конце этого срока, зависят от массы звезды.

Пока в звезде продолжается термоядерная реакция превращения водорода в гелий, она находится на главной последовательности . Время нахождения звезды на главной последовательности зависит от массы: самые большие и тяжёлые быстро доходят до стадии красного гиганта, а затем сходят с главной последовательности в результате взрыва сверхновой или образования белого карлика.

Судьба гигантов

Самые большие и массивные звёзды сгорают быстро и взрываются сверхновыми. После взрыва сверхновой остаётся нейтронная звезда или чёрная дыра, а вокруг них — материя, выброшенная колоссальной энергией взрыва, которая после становится материалом для новых звёзд. Из наших ближайших звёздных соседей такая судьба ждёт, например, Бетельгейзе , однако когда она взорвётся, подсчитать невозможно.

Туманность, образовавшаяся в результате выброса материи при взрыве сверхновой. В центре туманности — нейтронная звезда.

Нейтронная звезда — это страшный физический феномен. Ядро взорвавшейся звезды сжимается — примерно так же, как газ в двигателе внутреннего сгорания, только в очень большом и эффективном: шар диаметром в сотни тысяч километров превращается в шарик от 10 до 20 километров в поперечнике. Сила сжатия так велика, что электроны падают на атомные ядра, образуя нейтроны — отсюда название.

NASA Нейтронная звезда (видение художника)

Плотность материи при таком сжатии вырастает примерно на 15 порядков, а температура поднимается до непредставимых 10 12 К в центре нейтронной звезды и 1 000 000 К на периферии. Часть этой энергии излучается в форме фотонного излучения, часть уносят с собой нейтрино, образующииеся в ядре нейтронной звезды. Но даже за счёт очень эффективного нейтринного охлаждения нейтронная звезда остывает очень медленно: для полного исчерпания энергии требуется 10 16 или даже 10 22 лет. Что останется на месте остывшей нейтронной звезды, сказать сложно, а пронаблюдать — невозможно: мир слишком для этого слишком молод. Существует предположение о том, что на месте остывшей звезды опять-таки образуется чёрная дыра.

Черные дыры возникают в результате гравитационного коллапса очень массивных объектов — например, при взрывах сверхновых. Возможно, через триллионы лет в чёрные дыры превратятся остывшие нейтронные звёзды.

Участь звёзд средних масштабов

Другие, менее массивные звёзды дольше, чем самые большие, остаются на главной последовательности, зато, сойдя с неё, умирают гораздо быстрее, чем их нейтронные родственники. Больше 99% звёзд во Вселенной никогда взорвутся и не превратятся ни в черные дыры, ни в нейтронные звёзды — их ядра слишком малы для таких космических драм. Вместо этого звёзды средней массы в конце жизни превращаются в красные гиганты, которые, в зависимости от массы, превращаются в белые карлики, взрываются, полностью рассеиваясь, или становятся нейтронными звёздами.

Белые карлики составляют сейчас от 3 до 10% звёздного населения Вселенной. Их температура очень велика — более 20 000 К, более чем втрое больше, чем температура поверхности Солнца — но всё-таки меньше, чем у нейтронных звёзд, и благодаря более низкой температуре и большей площади белые карлики остывают быстрее — за 10 14 — 10 15 лет. Это означает, что в ближайшие 10 триллионов лет — когда Вселенная станет в тысячу раз старше, чем сейчас, — во вселенной появится новый тип объекта: чёрный карлик, продукт остывания белого карлика.

Пока черных карликов в космосе нет. Даже самые старые остывающие звёзды на сегодняшний день потеряли максимум 0,2% своей энергии; для белого карлика с температурой в 20 000 К это означает остывание до 19 960 K.

Для самых маленьких

О том, что происходит, когда остывают самые маленькие звёзды — такие, как наш ближайший сосед, красный карлик Проксима Центавра, науке известно ещё меньше, чем о сверхновых и чёрных карликах. Термоядерный синтез в их ядрах идёт медленно, и на главной последовательности они остаются дольше остальных — по некоторым расчётам, до 10 12 лет, а после, предположительно, продолжат жизнь как белые карлики, то есть будут сиять еще 10 14 — 10 15 лет до превращения в чёрный карлик.

Давайте в ответе я не буду концентрироваться на механизме взрыва, который очень сложный, разнообразный и требующий долгих разъяснений, а лишь сконцентрируюсь на первоисточнике взрыва.

Есть 2 основных типа сверхновых (на самом деле всё сложнее, но сейчас давайте посмотрим упрощённую иерархию).

У сверхновых II типа (их иначе называют core collapse ) взрыв происходит, когда из-за нехватки центрального давления ядро звезды сжимается под собственной "тяжестью". После катастрофического сжатия следует образование нескольких ударных волн, которые распространяются наружу и, собственно, то, что мы называем взрывом.

Причина начала такого катастрофического сжатия в том, что в какой-то момент термоядерное "топливо" в центре звезды заканчивается. Когда у вас выгорает весь гелий, углерод и т.д., вы в конце концов добираетесь до железа и никеля - элементов с самой большой энергией ядра (на нуклон). После железа и никеля вы ничего производить в термоядерном горении не можете, так как всё быстро распадается обратно.

Если нет горения, то нет и внутреннего давления. Однако есть гравитация самого ядра, которую раньше удерживало внутреннее давление. Такой дисбаланс, который ещё иногда называют чандрасекаровской неустойчивостью , и даёт начало коллапсу и взрыву. Стоит отметить, что для такой неустойчивости нужно, чтобы масса ядра была бы ~1.4 массы Солнца, иначе коллапс остановится на стадии белого карлика из-за дополнительного давления вырожденных электронов. Для этого нужно, чтобы масса изначальной звезды была > 8-10 солнечных.

В итоге после такого взрыва образуется либо нейтронная звезда, либо, если масса начальной звезды была > 20 масс Солнца - чёрная дыра.

Механизм взрыва core-collapse сверхновых до сих пор до конца не понятен, не смотря на то, что люди занимаются этой проблемой уже больше полвека. Но... В общем, в ближайшие месяцы следите за публикациями на с аффилиацией Принстона и ключевой фамилией "A. Burrows" ;)

Сверхновые I типа имеют несколько другой механизм. Они происходят в двойных системах, где одна из звёзд - это белый карлик, а другая - обычная звезда, либо гигант, либо другой белый карлик. В какой-то момент вещество с компаньона начинает перетекать на белый карлик, накапливаясь на поверхности.

Как только общая масса карлика становится больше 1.4 массы Солнца, начинается развиваться та самая чандрасекаровская неустойчивость, и происходит дальнейший коллапс этого белого карлика и, собственно, взрыв.

В результате, скорее всего, образуется нейтронная звезда.

Что это за явление такое - шаровая молния, и почему в детстве предупреждали не двигаться, если она залетит в помещение?

Вопрос о причинах взрывов сверхновых по-прежнему остаётся предметом дискуссий и служит поводом для выдвижения противоречивых гипотез.

Звезда с массой, превосходящей солнечную примерно на 20%, может со временем стать неустойчивой. Это показал в своём блестящем теоретическом исследовании, сделанном в конце 30-х годов нашего столетия, астроном Чандрасекар. Он установил, что подобные звёзды на склоне жизни порой подвергаются катастрофическим изменениям, в результате чего достигается некоторое равновесное состояние, позволяющее звезде достойно завершить свой жизненный путь. Многие астрономы занимались изучением последних стадий звёздной эволюции и исследованием зависимости эволюции звезды от её массы. Все они пришли к одному выводу: если масса звезды превышает предел Чандрасекара, её ожидают невероятные изменения.

Как мы видели, устойчивость звезды определяется соотношением между силами гравитации, стремящимися сжать звезду, и силами давления, расширяющими её изнутри. Мы также знаем, что на последних стадиях звёздной эволюции, когда истощаются запасы ядерного горючего, это соотношение обеспечивается за счёт эффекта вырождения, которое может привести звезду к стадии белого карлика и позволит ей провести остаток жизни в таком состоянии. Став белым карликом, звезда постепенно остывает и заканчивает свою жизнь, превратившись в холодный, безжизненный, невидимый звёздный шлак.

Если масса звезды превосходит предел Чандрасекара, эффект вырождения уже не в состоянии обеспечить необходимое соотношение давлений. Перед звездой остаётся только один путь для сохранения равновесия - поддерживать высокую температуру. Но для этого требуется внутренний источник энергии. В процессе обычной эволюции звезда постепенно использует для этого ядерное горючее. Однако как может звезда добыть энергию на последних стадиях звёздной эволюции, когда ядерное топливо, регулярно поставляющее энергию, на исходе?

Конечно она ещё не энергетический «банкрот», она большой, массивный объект, значительная часть массы которого находится на большом расстоянии от центра, и у неё в запасе ещё есть гравитационная энергия. Она подобна камню, лежащему на вершине высокой горы, и благодаря своему местоположению обладающему потенциальной энергией. Энергия заключённая во внешних слоях звезды, как бы находится в огромной кладовой, из которой в нужный момент её можно извлечь.

Итак, чтобы поддерживать давление, звезда теперь начинает сжиматься, пополняя таким образом запас своей внутренней энергии. Как долго продолжается это сжатие? Фред Хойл и его коллеги тщательно исследовали подобную ситуацию и пришли к выводу, что в действительности происходит катастрофическое сжатие, за которым следует катастрофический взрыв. Толчком взрыву, избавляющему звезду от избытка массы, является значение плотности, создаваемое при сжатии. Избавившись от избыточной массы, звезда тут же возвращается на путь обычного угасания.

Экология жизни.Звезда может погибнуть разными способами, но обычно люди думают, что звёзды взрываются.Термин «сверхновая» описывает взрывы с выделением большого количества энергии в момент, когда определённые звёзды достигают определённой стадии развития

Звезда может погибнуть разными способами, но обычно люди думают, что звёзды взрываются.

Термин «сверхновая» описывает взрывы с выделением большого количества энергии в момент, когда определённые звёзды достигают определённой стадии развития. Сверхновые могут сиять ярче целых галактик, и разрушать всё, что находится в сотне световых лет от них. Но сверхновые – не просто удивительное природное явления. Это самые важные явления, необходимый для развития сложной материи и в том числе, жизни.

Поиск сверхновых астрономами

Начнём с того, как возникают сверхновые. Когда в одном месте собирается достаточно газа, его масса начинает оказывать гравитационное действие, сфокусированное в центре облака. Когда давление превосходит определённый предел, атомы водорода в центре сферы начинают претерпевать синтез, зажигающий газ и превращающий его в звезду. Но всё время жизни звезды и её горения существует противодействие между давлением температурной реакции, направленным наружу, и гравитационным сжатием, направленным внутрь.

За миллиарды лет горения действующее наружу давление уменьшается, а гравитационная сила остаётся примерно такой же. Поэтому при остывании малых и средних звёзд гравитация в них начинает выигрывать – но поскольку эти звёзды не очень велики, гравитация не приводит ни к чему другому, кроме как к удержанию материи вместе. Такая безопасно остывшая звезда зовётся белым карликом. Предел массы, который необходим для возникновения сверхновой, называется пределом Чандрасекара, и равен примерно 1,4 массы Солнца. Если звезда меньше, то погаснет она мирно.

Сверхновые настолько ярки, что выделяются даже на фоне галактик

При этом белый карлик ещё может зажечь под конец жизни. В принципе, такие звёзды можно зажечь заново. Она может притянуть к себе достаточно массы, чтобы давление в центре сильно увеличилось, и начался синтез углерода. Тогда начнётся неустойчивая реакция синтеза, которая приведёт к взрыву.

Либо, если ядро белого карлика будет состоять в основном из неона, его ядро сколлапсирует, что также приведёт к взрыву – но только после него останется нейтронная звезда. Почти всегда так происходит в бинарных системах, в которых одна звезда приближается к пределу Чандрасекара, высасывая материю у своего партнёра. Поскольку астрономы не могут исследовать содержимое ядра звезды, они не знают, по какому из двух путей пойдёт её развитие.

У звёзд массивнее, чем 1,4 масс Солнца, жизненный цикл другой. Красный гигант медленно сгорает, при этом его гравитация оказывается достаточно сильной, чтобы вызвать коллапс ядра и взрыв сверхновой. Звёзды массой от 1,4 до 3 солнечных коллапсируют в нейтронные звёзды.

Звёзды тяжелее тоже коллапсируют, но при этом не останавливаются до тех пор, пока не превратятся в чёрную дыру. Это довольно редкое событие. Хотя чёрных дыр во Вселенной достаточно много, их гораздо меньше, чем остальных типов остатков звёзд.

Сверхновые могут появиться и другими путями. К примеру, хотя большинство белых карликов медленно набирают массу, некоторые звёзды могут получить быстрый прирост массы (например, от столкновения с другой звездой) и быстро преодолеть предел Чандрасекара – так быстро, что они не успеют начать коллапсировать.

У сверхновых есть несколько применений для астрономии. Например, сверхновые типа Ia (белый карлик, осуществивший углеродный синтез), шлёт в космос равномерные сигналы. Поэтому их окрестили «стандартными свечками», поскольку они служат учёным эталонами для оптических измерений. Правда, последние исследования говорят о том, что эти свечки не такие уж стандартные, как считалось ранее.

Но речь шла о том, что сверхновые – это не только прикольные и полезные явления. Чтобы породить элементы тяжелее углерода и неона, обычные звёзды не подходят. С этим справятся только сверхновые, умирающие звёзды.

Практически всё, с чем мы имеем дело, в какой-то момент было выброшено звездой в последние моменты её жизни. Земля – каменистый набор останков, выброшенных сверхновой. А также все кометы, астероиды и всё остальное, состоящие из более тяжёлой материи. И мы сами, состоящие из материи, взятой на Земле, созданы из обломков сверхновой. опубликовано

На нашей планете такие благородные металлы, как золото и серебро предпочитают встречаться вместе. Долгое время считалось, что и в космосе они дружат — оба этих элемента производят одни и те же звезды. Однако работа немецкого астрофизика Камиллы Хансен показала, что это не так. Серебро рождается при взрыве одних звезд, а золото — совсем других.

Согласно самой распространенной на данный момент версии о появлении тяжелых металлов во Вселенной, эти элементы рождаются в недрах светил. Расчеты показывают, что за счет экстремального давления и огромных температур внутри них начинают протекать ядерные реакции синтеза. Начинается все с элементарного превращение ядер водорода в таковые гелия, однако после в массивных звездах начинаются и более интересные вещи.

Так, под влиянием огромных сил гравитации, температуры и давления внутри звезды ядра простейших элементов настолько сближаются с бегающими вокруг свободными альфа-частицами (это ядра гелия), а также протонами, нейтронами (их источником являются реакции соединения ядер изотопов 12 С с образованием в одном случае 23 Na, а в другом — 23 Mg). В какой-то момент они даже начинают соединяться друг с другом — и это несмотря на электростатическое отталкивание одноименно заряженных зарядов. В результате такие ядра "обрастают" все новыми и новыми частицами, что приводит к появлению все более тяжелых химических элементов — от углерода, азота, кислорода, фосфора до железа, свинца и урана.

Таким образом, получается, что практически всю таблицу Менделеева в процессе эволюции Вселенной создали именно светила — исходно из кварк-глюоновой плазмы возникли лишь водоворот, гелий ну и, возможно, литий. Согласно моделям ученых, то, какие именно элементы создаст звезда, во многом зависит от ее массы. Считается, что самые тяжелые получаются при взрывах сверхновых самых массивных светил. Именно такие светящиеся "толстячки" и рождают самые ценные металлы для человечества — серебро и золото.

Исходя из этого, долгое время ученые думали, что эти два благородных элемента могут быть порождены одной звездой, или, по крайней мере, светилами одной "весовой" категории. Однако недавнее исследование доктора Камиллы Хансен из Гейдельбергского университета показало, что это не так. Она установила, что серебро появляется только в результате взрыва определенных типов звезд, которые весьма отличны от тех, что "производят" золото.

Астрофизик проанализировала множество данных о взрывах сверхновых, после которых были обнаружены следы серебра. Удивительно, что золота там практически не было. Аналогичная картина наблюдалась и в обратном случае — "золотые" сверхновые не давали значительного серебряного "следа". Из этого г-жа Хансен сделала закономерный вывод — производство этих металлов, скорее всего, зависит не только от массы звезды, поскольку многие исследуемые светила находились в одной весовой категории.

Впрочем, не исключено, что разница в массе все-таки была, просто не такая существенная — поэтому астрофизикам и не удалось ее обнаружить. "Мы получили первое доказательство существования специального процесса плавления внутри звезд. Теперь нужно заняться моделированием процесса взрыва именно такой сверхновой, которая образует серебро. Таким образом мы сможем понять, насколько тяжелой была эта звезда в момент своей драматической смерти и были ли у нее какие-то особенности, благоприятствующие синтезу именно серебра" — так охарактеризовала профессор Хансен полученные ей результаты.

По словам астрофизиков, эта работа может быть интересна, с одной стороны тем, что позволит выработать более точный способ оценки массы сверхновых. С другой стороны, она поднимает старый, но в то же время интересный вопрос — только ли от массы звезды зависит то, какие именно элементы получаются в горниле ее недр? Может быть, в этом процессе участвуют и другие факторы, которые ученые пока еще не обнаружили? Ответ может дать пока что лишь модель, которую предлагает построить г-жа Хансен.

Любопытно, что в отличии от дальнего космоса, на нашей планете золото и серебро обычно все-таки "дружат". Даже в самородном золоте встречаются серебряные примеси, а в таких минералах, как мутманит (Ag AuTe), сильванит (AuAgTe 4), петицит (Ag 3 AuTe 2) и электрум (Ag Au), доля серебра может достигать 45-50 процентов. То есть на Земле эти два элемента предпочитают встречаться вместе, хотя в космосе они появляются порознь.