Какие химические элементы образуются при взрывах сверхновых звезд кратко

Обновлено: 07.07.2024

Сверхно́вые звёзды — звёзды, заканчивающие свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе.

Содержание

Физика сверхновых звёзд

Сверхновые II типа

По современным представлениям, термоядерный синтез приводит со временем к обогащению состава внутренних областей звезды тяжёлыми элементами. В процессе термоядерного синтеза и образования тяжёлых элементов звезда сжимается, а температура в её центре растёт. (Эффект отрицательной теплоёмкости гравитирующего невырожденного вещества.) Если масса ядра звезды достаточно велика (от 1,2 до 1,5 масс Солнца), то процесс термоядерного синтеза доходит до логического завершения с образованием ядер железа и никеля. Внутри кремниевой оболочки начинает формироваться железное ядро. Такое ядро вырастает за сутки и коллапсирует менее, чем за 1 секунду, как только достигнет чандрасекаровского предела. Для ядра этот предел составляет от 1,2 до 1,5 массы Солнца. Вещество падает внутрь звезды, причём отталкивание электронов не может остановить падения. Центральное ядро сжимается все сильнее, и в некоторый момент из-за давления в нём начинают идти реакции нейтронизации — протоны начинают поглощать электроны, превращаясь в нейтроны. Это вызывает быструю потерю энергии, уносимой образующимися нейтрино (т.н. нейтринное охлаждение). Вещество продолжает разгоняться, падать и сжиматься до тех пор, пока не начинает сказываться отталкивание между нуклонами атомного ядра (протонами, нейтронами). Строго говоря, сжатие происходит даже более этого предела: падающее вещество по инерции превосходит точку равновесия из-за упругости нуклонов на 50% ("максимальное стискивание"). Процесс коллапса центрального ядра настолько быстр, что вокруг него образуется волна разрежения. Тогда вслед за ядром к центру звезды устремляется и оболочка. После этого "сжатый резиновый мяч отдаёт назад", и ударная волна выходит во внешние слои звезды со скоростью от 30000 до 50000 км/с. Внешние части звезды разлетаются во все стороны, а в центре взорвавшейся области остаётся компактная нейтронная звезда или чёрная дыра. Это явление называется взрывом сверхновой II типа. Взрывы эти различны по мощности и другим параметрам, т.к. взрываются звёзды различной массы и различного химического состава. Есть данные, что при взрыве сверхновой II типа энергии выделяется не многим больше, чем при взрыве I типа, т.к. пропорциональная часть энергии поглощается оболочкой, но, возможно, что это не всегда так.

В описанном сценарии имеется ряд неясностей. В ходе астрономических наблюдений установлено, что массивные звёзды действительно взрываются, в результате чего образуются расширяющиеся туманности, а в центре остаётся быстро вращающаяся нейтронная звезда, излучающая регулярные импульсы радиоволн (пульсар). Но теория показывает, что идущая наружу ударная волна должна расщеплять атомы на нуклоны (протоны, нейтроны). На это должна тратиться энергия, в результате чего ударная волна должна погаснуть. Но почему-то этого не происходит: ударная волна за несколько секунд достигает поверхности ядра, далее - поверхности звезды и сдувает вещество. Рассматриваются несколько гипотез для разных масс, но они не кажутся убедительными. Возможно, в состоянии "максимального стискивания" или в ходе взаимодействия ударной волны с продолжающим падать веществом в силу вступают какие-то принципиально новые и неизвестные нам физические законы. Кроме того, при взрыве сверхновой с образованием чёрной дыры возникают следующие вопросы: почему вещество после взрыва не полностью поглощается чёрной дырой; имеется ли идущая наружу ударная волна и почему она не тормозится и имеется ли что-то аналогичное "максимальному стискиванию"? [1]

Сверхновые типа Ia

Несколько другим выглядит механизм вспышек сверхновых звёзд типа Іа (SN Ia). Это так называемая термоядерная сверхновая, в основе механизма взрыва которой лежит процесс термоядерного синтеза в плотном углеродно-кислородном ядре звезды. Предшественниками SN Ia являются белые карлики с массой, близкой к пределу Чандрасекара. Принято считать, что такие звезды могут образовываться при перетекании вещества от второй компоненты двойной звёздной системы. Это происходит, если вторая звезда системы выходит за пределы своей полости Роша или относится к классу звёзд со сверхинтенсивным звёздным ветром. При увеличении массы белого карлика постепенно увеличивается его плотность и температура. Наконец, при достижении температуры порядка 3×10 8 K, возникают условия для термоядерного поджигания углеродно-кислородной смеси. От центра к внешним слоям начинает распространяться фронт горения, оставляя за собой продукты горения — ядра группы железа. Распространение фронта горения происходит в медленном дефлаграционном режиме и является неустойчивым к различным видам возмущений. Наибольшее значение имеет Релей-Тейлоровская неустойчивость, которая возникает из-за действия архимедовой силы на лёгкие и менее плотные продукты горения, по сравнению с плотной углеродно-кислородной оболочкой. Начинаются интенсивные крупномасштабные конвективные процессы, приводящие к ещё большему усилению термоядерных реакций и выделению необходимой для сброса оболочки сверхновой энергии (~10 51 эрг). Скорость фронта горения увеличивается, возможна турбулизация пламени и образование ударной волны во внешних слоях звезды.

Другие типы сверхновых

Существуют также SN Ib и Ic, предшественниками которых являются массивные звезды в двойных системах, в отличие от SN II, предшественниками которых являются одиночные звезды.

Теория сверхновых


Законченной теории сверхновых звёзд пока не существует. Все предлагаемые модели являются упрощёнными и имеют свободные параметры, которые необходимо настраивать для получения необходимой картины взрыва. В настоящее время в численных моделях невозможно учесть все физические процессы, происходящие в звёздах и имеющие значение для развития вспышки. Законченной теории звёздной эволюции также не существует.

Заметим, что предшественником известной сверхновой SN 1987A, отнесённой ко второму типу, является голубой сверхгигант, а не красный, как предполагалось до 1987 года в моделях SN II. Также, вероятно, в её остатке отсутствует компактный объект типа нейтронной звезды или чёрной дыры, что видно из наблюдений.

Место сверхновых во Вселенной

Согласно многочисленным исследованиям, после рождения Вселенной, она была заполнена только лёгкими веществами — водородом и гелием. Все остальные химические элементы могли образоваться только в процессе горения звёзд. Это означает, что наша планета (и мы с вами) состоим из вещества, образовавшегося в недрах доисторических звезд и выброшенного когда-то во взрывах сверхновых.

По расчётам учёных, каждая сверхновая II типа производит активного изотопа алюминия (26Al) около 0,0001 массы Солнца. Распад этого изотопа создаёт жёсткое излучение, которое длительно наблюдалось, и по его интенсивности рассчитано, что содержание в Галактике этого изотопа - менее трёх солнечных масс. Это означает, что сверхновые II типа должны взрываться в Галактике в среднем два раза в столетие, чего не наблюдается. Вероятно, в последние века многие подобные взрывы не замечались (происходили за облаками космической пыли). Поэтому большинство сверхновых наблюдается в других галактиках. Глубокие обзоры неба на автоматических камерах, соединённых с телескопами, позволяют сейчас астрономам открывать более 300 вспышек в год. В любом случае сверхновой звезде давно пора взрываться.

По одной из гипотез ученых, космическое облако пыли, появившееся в результате вспышки сверхновой, может держатся в космосе около двух или трёх миллиардов лет !

Наблюдения сверхновых звёзд

Люди обычно воспринимают звезды, как нечто вечное и незыблемое. Однако любая звезда существует лишь за счет хрупкого баланса между ее гравитацией и давлением раскаленного вещества. Ядро стремится уплотнить всю материю, но термоядерные реакции в ее недрах не дают этого сделать. Рано или поздно равновесию приходит конец, и тогда сила гравитации берет свое. Звезда буквально обрушивается внутрь себя, уменьшается в объеме и уплотняется. В процессе сжатия атомы словно сминаются, образуя при этом сплошную ядерную материю. В результате возникает нейтронная звезда или черная дыра. Процесс сопровождается мощнейшим взрывом с выбросом невероятного количества энергии и звездного вещества. Может ли этот взрыв затронуть Землю и повлиять на биологическую жизнь? К сожалению, ученые дают положительный ответ. Причем, в истории нашей планеты, по их мнению, такое уже происходило.


Взрыв сверхновой сопровождается интенсивным ультрафиолетовым излучением и выбросом части оболочки звезды.

Выбрасываемое в процессе взрыва сверхновой звездное вещество принято называть остатком сверхновой. Его изучением советские ученые занялись еще в 50-х годах прошлого столетия. Среди них был известный астрофизик Иосиф Шкловский, которого в первую очередь интересовало, что произойдет с Землей, если взрыв сверхновой случится поблизости с солнечной системой.

Ученые обнаружили сверхновую звезду, которая перечеркнула все накопленные ранее знания об этих астрономических объектах. Она взорвалась два раза с интервалом в 60 лет.

В итоге ученый пришел к шокирующему выводу — если катастрофа произойдет на расстоянии нескольких десятков световых лет, ее последствия уничтожат все живое на планете. Связано это с тем, что уровень комического излучения увеличится в тысячи раз. Заряженные частицы вызовут мутации и даже гибель живых организмов.

Также ученый выдвинул гепотезу о том, что именно взрыв сверхновой стал причиной вымирания всех динозавров. Позже этой же теории придерживался немецкий палеонтолог Отто Шиндевольф. Правда он винил сверхновую не в гибели динозавров, а пермском вымирании, которое произошло 252 миллиона лет назад.

При взрыве сверхновая выделяет ровно столько же энергии, сколько было выработано звездой с момента ее рождения. Яркость свечения при этом превосходят яркость всей галактики, включающей в себя сотни миллиардов звезд.

К 1970 годам ученые также выяснили, что ядерные взрывы в атмосфере порождают оксиды азота, которые разрушают озоновый слой. Ученый-физик Малвин Рудерман в 1974 году заявил, что такой же эффект вызовут космические лучи сверхновой. В результате наша планета может лишиться озонового слоя на сотни лет. Это еще больше укрепило гипотезу о вымирании динозавров в результате взрыва сверхновой.


Взрыв сверхновой на расстоянии нескольких десятков световых лет от Земли способен уничтожить озоновый слой атмосферы.

Ознакомиться с другими гипотезами, находками ученых и последними открытиями можно на нашем Telegram-канале.

Сверхновая убийца — какие есть доказательства?

Долгое время подобные теории казались фантастическими, так как этому не было ни доказательств, ни опровержений и найти их на тот момент не представлялось возможным. Ситуация изменилась в 80-х годах прошлого столетия благодаря ученым отцу и сыну Альваресам. Они обнаружили в меловых пластах повышенное содержания иридия, причем как раз на стыках мелового и палеогенового периодов, когда и вымерли динозавры.


В результате взрыва сверхновой в космос выбрасывается большое количество драгоценного металла иридия.

Все химические элементы тяжелее лития образуются в звездах. Элементы, масса которых превышает массу железа, образуются только при взрыве сверхновых. Золото, свинец, уран — все это радиоактивный пепел, который образован взрывом сверхновых.

Когда вопрос, казалось бы, можно было закрывать, Луис Альварес решил перепроверить гипотезу и найти повышенное содержание плутония-244, который также выделяется при взрыве сверхновой. Однако никаких аномалий обнаружено не было. Да и с иридием возникли несостыковки — соотношение изотопов 191 и 193 не отличалось от свойственного для солнечной системы. В итоге гипотезу Шкловского пришлось отбросить.


Динозавры погибли в результате падения на Землю метеорита, а не взрыва сверхновой, как предполагалось ранее.

Несмотря на то, что обвинения в убийстве динозавров со сверхновой были сняты, это еще не значит, что она не была причастна к другим вымираниям на Земле. Труды Альвераса показали, что искать нужно характерные радиоактивные изотопы. И они были найдены, но уже в XXI веке, причем на дне океанов.

Несколько лет назад был опубликован анализ изотопного состава осадка на дне Тихого, Индийского, а также Атлантического океанов. Выяснилось, что слои возрастом от 1,7 до 8,7 млн лет содержат большое количество изотопа железа-60. На Земле он не мог появиться, единственный его источник — взрыв сверхновой. Правда, позже ученые пришли к выводу, что он возник на нашей планете в результате прохождения солнечной системы через остатки нескольких сверхновых. Они взрывались в сотнях световых лет от Земли, поэтому причинить вред не могли.

Если вы любите статьи на тему космоса, черных дыр и происхождения вселенной, обязательно заходите на наш Дзен-канал, где вы найдете еще больше интересных материалов.

Однако ставить точку в теории о возможном влиянии сверхновых на развитие жизни на Земле еще рано. В 2020 году американские ученые выдвинули новую версию, согласно которой взрыв сверхновой вызвал вымирание в конце девонского периода (359 миллионов лет назад). Тогда сократилось содержание озона в атмосфере, а также появились на планете характерные для сверхновых изотопы – самарий-146 и плутоний-244. По мнению авторов, взрыв произошел на расстоянии 60-70 световых лет от Солнечной системы.

Угрожают ли сверхновые Земле?

В нашей галактике сверхновые вспыхивают примерно раз в 100 лет. Однако взрывы на опасном для Земли расстоянии происходят гораздо реже, примерно раз в 1 миллиард лет. Ранее мы писали, что ближайшая к нам сверхновая вот-вот должна взорваться, однако она находится на расстоянии 642,5 световых лет. Опасных же звезд вблизи Солнечной системы учеными не обнаружено. Но, могут ли ученые ошибаться и не замечать реальную угрозу землянам? Предлагаем обсудить эту новость в нашем Telegram-чате.

Николай Чайковский Просветленный (35189) Про столкновении нейтронных звезд. Это не по-моему, это говорят астрофизики.

Да, там он тоже образуется.
Но они не говорят, что он образуется только там.

При чрезв. интенсивных нейтронных потоках, которые имеют место при взрывах сверхновых, любые тяжелые элементы не могут не образовываться. А вот какая доля от сверхновых, а какая от нейтронных звезд - этот вопрос решается только численным моделированием, и единства мнений в этом вопросе нет.

Остатки сверхновых — газопылевые образования, которые являются результатом произошедшего много десятков или сотен лет назад катастрофического взрыва звезды и превращения ее в сверхновую.

Исследования остатков сверхновых имеют важное значение для астрономов, поскольку они играют ключевую роль в эволюции галактик, рассеивая тяжелые элементы, образовавшиеся при взрыве сверхновой, в межзвездной среде и обеспечивая энергию, необходимую для ее нагревания. Также считается, что такие объекты ответственны за ускорение галактических космических лучей.

W49B находится на расстоянии 26 тыс.-36,8 тыс. световых лет от Земли в Млечном пути — это самый яркий подобный объект в нашей Галактике. В ходе нового исследования астрономы проследили за объектом и установили его химический состав.


Исследование показало наличие чрезмерной ионизации железа, а также более легких элементов, таких как кремний, натрий и кальций, в горячей плазме W49B. Масса плазмы объекта составляет около 4,6 солнечных масс, а ее температура отличается в зависимости от расстояния от центра.

Ранее астрономы обнаружили рекордно тусклую сверхновую. Пиковая светимость 2019gsc находится на уровне -13,8 абсолютной звездной величины. Это значит, что она является рекордно тусклой для объектов такого рода.

Читайте также: