Астрофизика высоких энергий
Сверхновые и их остатки
(по данным рентгеновских обсерваторий)
С. И. БЛИННИКОВ,
доктор физико-математических наук
Институт теоретической и экспериментальной физики
им. А.И. Алиханова
В начале XXI в. наибольшее внимание астрофизиков привлекли такие необычные небесные объекты, как черные дыры и сверхновые. Интенсивно ведутся наблюдения остатков сверхновых звезд (ОСН) с помощью космических рентгеновских обсерваторий "Чандра" ("Chandra"), "Интеграл" ("Integral"), "ИксММ-Ньютон" ("XMM-Newton"), других внеат-
мосферных и наземных обсерваторий. Ученые создают теории происхождения ОСН, моделируют динамические процессы/ вы/бросов вещества и исследуют их характеристики. После многолетних поисков ответа на вопросыI, связанные с ОСН, возникли новые задачи, связанные с дальнейшим их изучением, развитием теории и моделирования.
НАБЛЮДЕНИЯ ОСТАТКОВ СВЕРХНОВЫХ ЗВЕЗД
В настоящее время вспышки сверхновых звезд открывают сотнями каждый год в далеких галактиках на больших телескопах. В древности и в средние века удавалось обнаружить невооруженным глазом только ближайшие к Солнечной системе сверхновые (БирегЫоуа, БЫ) в нашей Галактике. Среди них такие знаменитые и яркие события, как БЫ 1006 и
1054, наблюдавшаяся Тихо Браге Сверхновая 1572 (появление этой вспышки повлияло на выбор жизненного пути Тихо, он стал выдающимся астрономом своего времени). Немного спустя взорвалась БЫ 1604, которую изучал Иоганн Кеплер. Еще одну вспышку в созвездии Кассиопеи едва заметили в 1680 г. С тех пор сверхновых в нашей Галактике не наблюдали. Мы живем в слишком запыленной части Млечного Пути, далекие
объекты сильно ослаблены в видимом диапазоне.
Вспышка сверхновой звезды в видимом свете обычно продолжается несколько месяцев. Потом вещество выброса становится слишком холодным, и его трудно наблюдать. Но скорость этого вещества остается огромной -до десятков тысяч километров в секунду. Вокруг сверхновых никогда не бывает абсолютной пустоты, всегда есть межзвездная среда. Поэтому при разле-
© Блинников С.И.
17
• 'Щ
4' »
* » ■
Остаток Сверхновой 1987, находящийся в созвездии Золотой Рыбы на расстоянии 160 тыс. св. лет. Рентгеновское изображение, полученное 9 января 2005г. космической обсерваторией Чандра" (сине-фиолетовый цвет), наложено на оптическое, полученное КТХ, показывает эффекты мощной ударной волны, перемещающейся далеко от взрыва (газовые рукава вокруг Сверхновой, которая видна в центре снимка). Яркие пятна рентгеновской и оптической эмиссии возникают там, где в окружающем газе ударные волны сталкиваются со структурами, отделенными звездным ветром от разрушенной звезды. Подобно ожерелью (кольцо бело-розового цвета), сверкают вокруг SN 1987А точки горячего газа с температурой в несколько миллионов градусов. Гарвардский университет, Калифорнийский технологический институт. NASA.
те выброшенного вещества появляются сильные ударные волны, температура снова поднимается до десятков миллионов кельвинов и даже выше, горячая плазма начинает светить. Только через несколько десятков лет после вспышки сверхновой это свечение уже можно регистрировать. В результате образуется остаток сверхновой - ОСН, или SNR (SuperNova Remnant). На месте перечисленных сверхновых теперь наблюдают остатки сверхновых 1006 г., 1054 г. (Крабовид-ная туманность), 1572 г. (Тихо), 1604 г. (Кеплера), Кассиопея А. Последняя сверхновая, которая была видна невооруженным глазом, - SN 1987A, она вспыхнула в Большом Магеллановом Облаке, спутнике нашей Галактики
(Земля и Вселенная, 1987, № 3; 1989, № 2). Взрыв произошел 160 тыс. лет назад, но излучение достигло Земли лишь в 1987 г. Уже сейчас на месте этой сверхновой у нас на глазах возникает молодой остаток.
Остатки сверхновых можно наблюдать во всех диапазонах электромагнитного спектра (от радио-до жесткого гамма-диапазона), но первые тысячи и даже десятки тысяч лет своей жизни они излучают главным образом в рентгеновском диапазоне.
Чем интересно изучение остатков сверхновых? Прежде всего, они дают нам информацию о самих взрывах звезд: какой была энергия взрыва, какие элементы были выброшены, образовалась нейтронная звезда или нет. Кроме
того, ОСН определяют тепловую и механическую эволюцию межзвездной среды: они сметают огромные массы межзвездной плазмы (тысячи солнечных масс!) в большие "пузыри" с тонкими стенками, в которых рождаются молодые звезды. И, наконец, они ускоряют космические лучи до чудовищных энергий, недостижимых в наземных установках.
В течение XX в. накоплено много данных об ОСН на основе наблюдений на радио- и оптических телескопах с поверхности Земли, а также в рентгеновском и других диапазонах из космоса. Были открыты различные типы остатков, одни из них имеют внутри пульсар (например, Крабо-видная туманность), дру-
Остаток Сверхновой Кассиопея A (SN 1680) на расстоянии около 10 тыс. св. лет от нас был порожден взрывом сверхновой типа II с образованием нейтронной звезды. Световая вспышка сверхновой была слабой (в соответствии с теорией члена-корреспондента РАН B.C. Имшенни-ка и профессора Д.К. Надёжи-на), но кинетическая энергия взрыва была большой, поэтому оСн яркий в разных диапазонах: а) в радиодиапазоне, на трех частотах - 1.4, 5.0 и 8.4 ГГц, изображение получено 25 марта 1994 г. с помощью Большой антенной решетки VLA (США, Нью-Мексико); б) в видимом свете, снимок получен в декабре 2004 г. с помощью КТХ (NASA); в) одно из последних высококачественных рентгеновских изображений, полученных в ноябре 2006 г. космической обсерваторией "Чандра" (NASA); г) синтезированное изображение (оптический, рентгеновский и инфракрасный диапазоны) получено с помощью КТХ, космических обсерваторий "Чандра" и "Спит-цер". NASA.
гие - нет (оболочечные остатки, например Тихо и Кеплер). Проводились работы по изучению строения ОСН, их химического состава, статистики и распределения в пространстве.
В последние годы произошел грандиозный прорыв в исследованиях ОСН благодаря наблюдениям с помощью современных внеатмосферных обсерваторий, таких как Космический телескоп им. Хаббла (в видимом свете), а также рентгеновский телескоп и спектрографы, установленные на космических обсерваториях "Чандра", "Интеграл", "ИксММ-Нью-тон" (Земля и Вселенная, 2003, № 2; 2005, №№ 4, 6).
Попробуем кратко рассмотреть прогресс в изучении сверхновых и их остатков, ограничившись только малой долей современных достижений астрофизики в той части, которая касается интересов нашей группы в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) им. А.И. Алиханова.
УДАРНЫЕ ВОЛНЫ В ОСН
Остаток сверхновой -это система ударных волн, распространяющихся наружу в межзвездную среду и внутрь быстро летящего вещества выброса. Очень часто картина осложняется присутствием внутри газового остатка еще и молодого пульсара, накачивающего своей энергией плазму в ОСН (например, так обстоит де-
ло в Крабовидной туманности - остатке ЭЫ 1054). А вот в остатке Кассиопея А (ЭЫ 1680) с трудом нашли нейтронную звезду, которая не является активным пульсаром. Ниже я остановлюсь на более простом случае оболочеч-ного остатка без пульсара. Таких ОСН много, например все остатки сверхновых типа ЭЫ1а, порожденных термоядерным взрывом с полным разлетом звезды (в том числе ОСН 1572 Тихо и 1604 Кеплера).
Какая температура может оказаться за фронтом ударной волны? Переведя скорость направленного движения (10 тыс. км/с) в хаотическое движение, получим миллиарды кельвинов для ионов плазмы. У электронов фактическая температура будет ниже, их масса в тысячи
раз меньше массы ионов, и при той же скорости их энергия ниже. Внутри фронта происходят сложные процессы выравнивания температур ионов и электронов. Плазма очень разреженная - практически идеальный вакуум по лабораторным меркам (порядка одной частицы в кубическом сантиметре), да еще в присутствии магнитного поля. В теории такой плазмы еще очень много неизведанного, и наблюдения оСн помогают земной физике понять эту замечательную субстанцию.
Нет сомнений, что за фронтом ударной волны электроны достигают температуры в десятки миллионов кельвинов, то есть несколько килоэлектронвольт. Эту температуру мы "видим" в тепловом рентгеновском излучении остатков. В радиодиапазоне светят нетепловые электроны, разогнанные до гораздо более высоких энергий. Разные процессы дают и инфракрасный, и видимый свет (например, возбуждение атомов и ионов), и гамма-излучение (например, распад радиоактивных нуклидов Ti или распады пионов). Все это важно для диагностики процессов в ОСН, но основную роль в динамике и эволюции первые десятки тысяч лет играет рентгеновское излучение.
Гидродинамическую эволюцию ОСН несколько идеализированно обычно разделяют на три стадии: свободный разлет выброса сверхновой, адиабатическая ударная волна
(стадия Седова) и "снежный плуг", или "снегоочиститель". Первые две фазы называют нерадиатив-ными, так как считается, что потери на излучение (радиацию) здесь не важны для динамики, хотя они, конечно, очень важны для наблюдений. Третья фаза следует после катастрофического охлаждения газа в остатке сверхновой, когда потери на излучение полностью преобладают. При этом вещество сгребается в очень тонкий слой, примерно так же, как происходит при сгребании снега, откуда и возникло название этой стадии.
На разных стадиях эволюции существенными могут быть разные физические процессы. Здесь мы ограничимся молодыми оСн, с возрастом не больше нескольких тысяч лет. Еще в 1950-е гг. член-корреспондент АН СССР И.С. Шкловский предложил использовать для остатков на адиабатической стадии решение Седова. Стадия называется адиабатической, так как за время увеличения радиуса остатка в два раза потери на излучение очень малы. Для сильных адиабатических взрывов в земной атмосфере академик Л.И. Седов нашел аналитическое решение, которое и применил И.С. Шкловский к ОСН.
Однако такое решение применимо только к точечному взрыву в среде, когда масса сгребенного ударной волной газа уже много больше массы выброса сверхновой. В этом ре-
шении описывается только одна ударная волна, бегущая наружу. А молодые ОСН
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.