Координаты чудес. Как сверхновые осветили путь к современной астрофизике

Около 10 лет назад я вторично начал вести блог в «Живом журнале» (и вел его около полутора лет). Там я пробовал писать, в том числе, на научно-популярные, философские и религиозные темы и, в частности, о высоком Средневековье (в тот период я читал и перечитывал Жака ле Гоффа, Анри де Любака, Нормана Дэвиса и Йохана Хёйзингу). XV-XVI века в истории Европы интересовали меня как «самая долгая ночь перед рассветом» в истории Западной цивилизации, когда на встречных курсах шли распад единой католической ойкумены, стремительная кристаллизация естественнонаучной картины мира на индийском и исламском субстрате, расширение географии – и все это в условиях жестокого религиозного мракобесия. Бушевавшая в XIV-XVII веках серия эпидемий чумы массово выкосила образованных клириков (ведь именно священники оказались в эпицентре антисанитарии и скученности, целования зачумленных крестов и причащения больных прихожан). На их место пришли те недоучки и фанатики, которые превратили христианскую проповедь в охоту на ведьм.

Наука освобождалась от магии и суеверий рывками. Первый настоящий физик Галилео Галилей жил в 1564-1642 годах. При этом к моменту смерти престарелого Галилея 15 лет исполнилось Роберту Бойлю, последнему ученому, всерьез занимавшегося алхимией (1627-1691). Старшим современником Галилея был великий астроном и оптик Тихо Браге (1546-1601), а младшим – великий астроном и астролог Иоганн Кеплер (1571-1630), чья мать, трактирщица Катарина Кеплер (1547-1622) была обвинена в ведовстве. Всего через 4 года после смерти Галилея родился Исаак Ньютон (1646-1727), учившийся у Бойля физике (и алхимии), а также претендовавший на авторство настолько законченной и непротиворечивой теории естествознания, что позволил себе сравнить Вселенную с заводными часами.

Тем не менее, именно на жизнь последнего поколения перед Ньютоном и Бойлем (в частности, на зрелые годы Катарины Кеплер) пришлись сразу два события, наверняка заставившие средневековых европейцев в предпоследний и последний раз усомниться в незыблемости небес и понадеяться на Второе Пришествие. Это были взрывы сверхновых, произошедшие в 1572 году (сверхновая Браге) и 1604 (сверхновая Кеплера), на века вперед определившие развитие астрономии и более не повторявшиеся до 1987 года. Отчетливо сознавая, что этот пост не вполне соответствует тематике Хабра, далее я напомню обо всех достоверно известных семи сверхновых, зажигавшихся в небе Земли на протяжении истории человечества – и об их роли в развитии астрономии и астрофизики.       

Что такое сверхновая

С точки зрения современной астрономии новая – это звезда, яркость которой внезапно и очень резко возрастает, а затем эта звезда начинает медленно тускнеть до исходной звездной величины. Новые возникают в результате взрыва верхних слоев тусклых белых карликов, а избыточная материя на поверхности белого карлика оседает из атмосферы более крупной звезды, расположенной в паре с ним. Таким образом, к образованию новой наиболее располагает двойная звездная система.  Сверхновая – тоже звезда, яркость которой резко возрастает, а затем постепенно тускнеет, но в случае сверхновой вспышка гораздо сильнее, чем с новой. Яркость звезды может возрасти в 10 000 раз сильнее, чем у новой. Сверхновая – это вспышка в миллиарды раз ярче Солнца, причем, максимальная яркость достигается через несколько дней после взрыва. Общее количество электромагнитной энергии, излучаемой сверхновой за несколько месяцев,  сопоставимо с энергией, которую Солнце испускает в течение всего жизненного цикла (10 миллиардов лет). С современной точки зрения наиважнейшая роль сверхновой заключается в синтезе, а затем – в рассеянии сравнительно тяжелых элементов, в первую очередь – металлов. Наиболее распространенными элементами во Вселенной являются водород и гелий (именно из них преимущественно и состоят звезды). Эти два элемента (а также немного лития) являются первозданными, они возникли практически одновременно с Вселенной, задолго до формирования первых звезд. Все прочие элементы – из которых состоит практически все, что мы видим вокруг – образовались позже, в результате звездной эволюции. Сравнительно тяжелые элементы образуются из более легких (прежде всего – водорода и гелия) в процессе термоядерного синтеза. Именно термоядерный синтез – основа горения звезд.

Ядра водорода сливаются в ядра гелия, гелий сливается в углерод. В самых тяжелых звездах этот процесс проходит еще несколько стадий: из ядер углерода последовательно образуются еще более тяжелые элементы: кислород, неон, магний, сера, кремний – и так далее до железа. Но на железе этот процесс останавливается. Примерно такую структуру приобретает массивная звезда на заключительном этапе эволюции:

В зависимости от массы самой звезды отличается и масса того железного ядра, которое она может «наработать», после чего это ядро переживает коллапс.  Коллапс переходит во взрыв, в результате чего разрушается часть атомов гелия и более тяжелых элементов, образуется масса свободных нейтронов – и они слипаются в элементы значительно тяжелее железа, вплоть до трансурановых. При этом внешние оболочки взорвавшейся звезды разлетаются во все стороны, образуя раскаленный «остаток» сверхновой, который, остывая, превращается в туманность.

Это одна из таких туманностей – Крабовидная, образовавшаяся в созвездии Тельца после взрыва сверхновой 4 июля 1054 года. Сегодня она наблюдается только в телескоп, но в 1054 году, по данным китайских астрономов, звезда была видна на небе днем и ночью в течение нескольких недель.

Типы сверхновых

Проблемы синтеза элементов в звездах напрямую связаны с теорией Большого Взрыва, поскольку именно Большой Взрыв привел к образованию «первого поколения» химических элементов – и, соответственно, сверхновые можно уподобить «малым взрывам» местного значения. Вышеизложенные представления о том, в какой последовательности образуются химические элементы в звездах, были сформулированы в середине 1940-х – и далее в течение 1950-х. Теоретическим обоснованием Большого Взрыва занимался британский астрофизик и фантаст Фред Хойл (1916-2001), а детализацией звездной эволюции вместе с ним занимались Маргарет и Джеффри Бербидж и Уильям Фаулер. В 1957 году они выпустили совместную фундаментальную работу «Синтез элементов в звездах», заложившую основы теории взрывного нуклеосинтеза. В настоящее время уже известно, что большинство элементов таблицы Менделеева (кроме полученных искусственно) в неравных долях образовалось при взрывах сверхновых звезд либо при слиянии нейтронных звезд:

В конце XX века считалось, что существует два варианта образования сверхновых: коллапс железного ядра (описан выше) и термоядерный взрыв. Термоядерный взрыв происходит на месте новой звезды, то есть, на месте белого карлика, перетягивающего на себя звездное вещество в двойной звездной системе. Кроме того, в 1980 году Кэнъити Накамото из Токийского университета сформулировал теорию «захвата электронов», предполагающую еще один вариант образования сверхновой. Когда в сравнительно компактном белом карлике остается в основном кислород, неон и магний, их ядра начинают слипаться, поглощая остаток электронов, сохранившихся в такой звезде. Именно такое поглощение электронов (без образования железного ядра) также может приводить к коллапсу и образованию сверхновой. Первый остаток сверхновой, которая могла образоваться именно в результате захвата электронов, был открыт в 2021 году; также есть основания полагать, что именно к такому типу относилась звезда, на месте которой осталась Крабовидная туманность. Более подробно о звездных взрывах рассказано здесь.

Хронология сверхновых

Наблюдали

Поскольку древние астрономы не всегда могли отличить новую звезду (существовал даже термин «звезда-гостья») от более прозаической кометы, не исключено, что сверхновые зажигались на земном небе еще в 369, 437, 827 и 902 годах. Сверхновая 1987 года, последняя в этом списке, была видна невооруженным глазом в Андах, но этот взрыв произошел не в нашей галактике Млечный Путь, а в галактике-спутнике Большое Магелланово Облако. В нашей же галактике ни одной сверхновой, видимой с Земли невооруженным глазом, не было со времен «звезды Кеплера», вспыхнувшей в 1604 году. Тем не менее, именно три последние сверхновые наиболее заметно повлияли на развитие астрономии и астрофизики, и далее мы подробно рассмотрим влияние каждой из них на научную картину мира.

Звезда Браге

Яркая новая звезда засияла в начале ноября 1572 года, вероятно, хорошо просматривалась во всем северном полушарии. Ночью она была ярче всех звезд, а также ярче Венеры; по-видимому, она хорошо просматривалась и днем. К тому моменту почти 2000 лет доминировала аристотелевская картина мира, в соответствии с которой небеса состоят из вложенных одна в другую хрустальных сфер, на последней из которых (восьмой) расположены вечные и неизменные звезды. Значительно ближе к Земле по Аристотелю располагались как Луна, так и кометы. Тем не менее, Тихо Браге написал целую книгу «De Stella Nova»,  в которой обоснованно доказал, что эта звезда находится гораздо дальше Луны, то есть, в той самой «восьмой сфере»:

Вечером, после захода Солнца, когда в соответствии с моим обычаем я созерцал звезды в ясном небе, я заметил, что почти прямо над моей головой сияла новая и необыкновенная звезда, превосходившая по блеску все другие звезды; и так как я почти с детства знал в совершенстве все звезды небосвода (очень нетрудно достичь этого знания), мне было совершенно очевидно, что никогда в прошлом никакой звезды на этом месте неба, даже и маленькой, не было, не говоря уже о звезде, столь бросающейся в глаза своей яркостью, как эта. Я был настолько поражен этим зрелищем, что не постыдился подвергнуть сомнению то, что видели мои собственные глаза. Но когда я убедился, что и другие могли видеть на указываемом им месте звезду, у меня больше не оставалось сомнений. Не было ли это величайшим из чудес, которые случались когда-либо со времен начала мира?…

К 1574 году датские власти заметили достижения Браге. Астроному, рядовому сотруднику Копенгагенского университета, не только разрешили выступать с публичными лекциями, но и преподавать математику. Более того, на острове Вен ему выделили целый замок под астрономические наблюдения и разработку телескопов; он назывался «Ураниборг».

В 1577 году Браге заметил и исследовал новую комету, доказав (по движению кометы на фоне звезд), что и комета расположена значительно дальше Луны, но ближе, чем звезды. В 80-90-х годах Браге тратил на свои исследования до 1% датского бюджета, но впал в немилость в 1597 году, когда на престол Дании вступил новый король, Кристиан IV. Немолодому и нездоровому Тихо пришлось искать новый приют, и в итоге за два года до смерти он, пользуясь покровительством императора Рудольфа II, обосновался в замке Градчаны под Прагой, куда успел перевезти из Дании значительную часть оборудования. Именно там 4 февраля 1600 года он познакомился с молодым Иоганном Кеплером, прибывшим в Прагу именно с целью заниматься астрономией. Всего через полтора года, 24 октября 1601 года, Браге умер, но до этого успел плодотворно поработать с Кеплером и увлечь его рассказами о сверхновой 1572 года (на момент открытия той звезды Кеплеру было менее года, к тому моменту, как он достиг сознательного возраста, звезда уже угасла).

Звезда Кеплера

К 1604 году Иоганн Кеплер продолжал работать в лаборатории в Градчанах, продолжая исследования Браге, связанные с кометами – но в основном занимаясь обоснованием и защитой коперниковской картины мира, а также математическим обоснованием динамики небесных тел. А сверхновая, которая впоследствии получит его имя, была открыта именно 9 октября (по-видимому, в Италии). Именно в эту ночь астрономы внимательно осматривали небо, дожидаясь редчайшего события – слияния Марса, Юпитера и Сатурна в одну точку. Именно поэтому сверхновая была открыта примерно за 20 дней до того, как достигла максимальной яркости – и вызвала бурное обсуждение не только среди астрономов, но и среди астрологов, пытавшихся усмотреть магический смысл в этой вспышке, произошедшей вместе со схождением трех планет. Кеплер приступил к исследованию звезды только 17 октября (по его словам, до этого под Прагой было слишком облачно), но именно он впервые подробно описал эту звезду в трактате  “De Stella Nova in Pede Serpentarii” (”О новой звезде близ ступни Змееносца”).  На следующей иллюстрации звезда обозначена большой буквой «N» и находится возле правой пятки Змееносца.

При этом сверхновая Кеплера крайне заинтересовала и Галилея, с 1592 года работавшего в Падуанском университете, и на момент описываемых событий уже занимавшим профессорскую кафедру. Галилей, по-видимому, впервые наблюдал сверхновую 28 октября, когда новость о ней уже стала сенсацией. Тогда Галилею (впервые за 12 лет работы в Падуе) было предложено выступить с публичной, как мы бы сказали – с научно-популярной – лекцией по поводу этой звезды. Галилей нашел сказать настолько много, что прочитал о новой звезде не одну, а три лекции – и, как сообщали современники, даже имел конфликт с неким Бальдессаром Капрой, который утверждал, что (в компании двух друзей) первым в Падуе наблюдал эту звезду, но не был за свое открытие не только вознагражден, но даже отблагодарен Галилеем. Галилей выступил с тремя лекциями в течение ноября, когда звезда, должно быть, еще была очень яркой.

Галилей не только соотнес координаты звезды с наблюдениями из других регионов Европы (в том числе, северных), но и указал, что звезда возникла примерно в том же регионе неба, что и звезда Браге (действительно, и та, и другая вспыхнули в созвездии Кассиопеи – Галилей пытался уловить в этом закономерность, но, как мы знаем, это была просто случайность). Эта сверхновая лишний раз подчеркнула несостоятельность космологии Аристотеля, а также натолкнула Галилея на мысль, что рождение звезды никак не связано со сближением трех планет. Более того, именно после этого события Галилей всерьез занялся изучением и измерением параллакса; вероятно, именно тогда он сформулировал его первое научно-популярное объяснение (аналогию с карандашом или пальцем).     

Также Галилей попытался охарактеризовать на примере сверхновой природу звездного света, указывая, что звездный огонь, должно быть, совсем не тождественен обычному. Если новая звезда находится гораздо выше Луны – как же она там оказалась? Проще всего было предположить, что она образовалась из того же вещества, что и небесная сфера, но в то время считалось, что вещество небесных сфер является неизменным. Поэтому Галилей предполагал, что новая звезда возникла из обычной «земной» материи, которая каким-то образом поднялась на такую высоту. Кроме того, он указывал, что от земного огня выделяется много дыма, а небесный огонь дыма не выделяет (иначе звезда быстро скрылась бы в его клубах) – значит, небесный огонь имеет другую природу. Галилей учитывал, что некоторые вещества сгорают почти без дыма – но при этом они сгорают очень быстро, а огонь сверхновой явно не затухал. В конце концов, Галилей предположил, что сверхновая может быть подобна облаку пара с очень сильной отражательной способностью, и испускает это облако отраженный солнечный свет, подобно Луне. Каким образом пар с Земли мог подняться на такую высоту, Галилей также объяснить затруднялся, но все равно сравнивал сверхновую скорее с далекой радугой, чем с далеким костром.  

Сверхновая 1987А

Эта сверхновая была столь же неожиданным, сколь и интересным явлением. Этот взрыв произошел в соседней галактике, а не в Млечном Пути, расстояние до него составило около 170 000 световых лет. Именно поэтому видимая звездная величина сверхновой составила +3 (человек с острым зрением может различить звезды с величиной примерно до +6,5). История наблюдений показала, что взрыв произошел на месте голубого сверхгиганта Sanduleak –69°202, открытого в 1969 году Ричардом Сандуляком. Ранее считалось, что сверхновые образуются только на месте красных сверхгигантов. Кроме того, уверенно зафиксировать этот взрыв удалось еще и потому, что ему предшествовал мощный всплеск звездных нейтрино. Поскольку нейтрино являются всепроникающими частицами, взрыв 1987А стал мощным стимулом к развитию нейтринной астрономии, о которой рекомендую почитать этот пост на Хабре. Действительно, оптические телескопы не слишком хороши для поиска сверхновых, но анализ звездных нейтрино позволил составить подробную карту таких событий в нашей Галактике:

Вполне вероятно, что взрыв сверхновой порождает не только очень много нейтрино (ведь мы зафиксировали их при взрыве в соседней галактике – а как отреагировали бы детекторы нейтрино на взрыв, подобный звезде Кеплера?), но и гравитационные волны и, возможно, какие-то экзотические частицы. Кроме того, спектральный анализ свежих остатков сверхновой мог бы подсказать, каковы предельные атомные номера элементов, образующихся при таких взрывах – возможно, даже открыть фейнманий. Иными словами, ближайшую сверхновую астрономическое сообщество ждет не только с нетерпением, но и во всеоружии, даже не слишком волнуясь, а не будет ли чрезмерно близкий взрыв такой звезды уже не астрофизикой, а настоящей катастрофизикой.