Что, если рядом с нами взорвётся звезда? [Veritasium]
[музыка] Что случится, если рядом с Землёй взорвется звезда? Ближайшая к нам звезда - это очевидно Солнце, которое взрываться не собирается. Но если бы его масса была где-то восемь раз больше, то его жизнь закончилась бы взрывом сверхновой. На что это было бы похоже? Как отметил экс-кей Сиди, если почти вплотную ставится на взрыв водородной бомбы, то свет от него всё равно будет в миллиард раз тусклее, чем от сверхновой с того расстояния, на котором от нас находится Солнце.
Вот так взрываются сверхновые. Это один из самых мощных взрывов во Вселенной. Когда они происходят в других галактиках, мы видим вспышки ярче света сотен миллиардов звёзд, и кажется, как будто они возникли из ниоткуда. 8 октября 1604 года астрономы Иоганн Кеплер заметил в ночном небе звезду, которую никогда раньше не видел. Дефора она была ярче всех своих соседок и видна была немногим хуже Юпитера в безлунной ночи. Её света хватало, чтобы предметы отбрасывали тень.
О своих наблюдениях Кеплер рассказал в книге под названием "Testella Nova" или "О новой звезде в созвездии змееносца". Кеплер думал, что увидел, как рождается новая звезда, но на самом деле он смотрел, как она умирает. В течение следующих полутора лет вспышка постепенно гасла, пока не пропала совсем, но её след остался в названии. Хотя в 1930-х годах мы выяснили, что это был мощный взрыв, в котором заканчивается жизнь звёзд.
Масса от 8 до 30 масс Солнца называется сверхновой, но вряд ли многие правильно представляют себе, как это происходит. Большую часть жизни звезды внутри поддерживается баланс: в ядре из более лёгких веществ создаются более тяжёлые. При этом малое количество вещества переходит в энергию. Благодаря этой энергии звезда не коллапсирует под действием гравитации.
Звезда могла бы сжаться, но этого не происходит благодаря движению частиц и давлению фотонов, которые выделяются во время синтеза. В общем, звезду изнутри подпирает её собственный свет. Если интенсивность синтеза в центре звезды снижается, падают давление и температура, и сила тяжести берёт верх, и звезда сжимается. От этого снова поднимается температура и давление, и синтез становится интенсивнее. Вполне стабильная саморегулирующаяся система, но есть проблемка: топливо в звезде ограничено, и со временем оно кончается.
Солнце пока прожило около 5 миллиардов лет из отмеренных ему десяти. Существуют звезды в десятки раз массивнее его, и казалось бы, жить они должны гораздо дольше. Но на самом деле они расходуют топливо быстрее. Звезда в 20 раз тяжелее Солнца живёт всего 10 миллионов лет.
Ещё более массивные звёзды горят интенсивнее, ещё ярче и живут ещё меньше. 90 процентов жизни звезды температуры в ядре хватает только на то, чтобы превращать водород в гелий. Когда водород кончается, замедляется синтез, сила тяжести сжимает звезду, температура в ядре поднимается до 200 миллионов кельвинов, и тогда гелий начинает превращаться в углерод. Гелия хватит еще примерно на миллион лет, но когда он закончится, ядро снова начнёт сжиматься и нагреваться.
Углерод превращается в неон, это длится примерно 1000 лет. Затем ещё несколько лет неон превращается в кислород, а после, в течение нескольких месяцев, из кислорода образуется наконец, при температуре в два с половиной миллиарда градусов, кремний. Кремний превращается в никель, из которого при распаде получается железо. Теперь у звезды железное сердце диаметром всего несколько тысяч километров.
На железе цепь превращений останавливается. Вместо выделения энергии для синтеза более тяжелых элементов, звезде теперь нужно её поглощать. Железо очень стабильно, поэтому энергия нужна и для того, чтобы получить из него что-то более тяжёлое, и для того, чтобы разложить на более лёгкие элементы. Реакции как синтеза, так и расщепления останавливаются именно на железе. Железное ядро увеличивается, но по мере замедления синтеза растёт давление гравитации.
Когда масса железа в ядре достигнет примерно 1,4 масс Солнца, это называют пределом Чандрасекара. Сила гравитации вырастает настолько, что происходит нечто невообразимое: в силу вступает квантовая механика. Электронам становится необходимо занимать состояния самой низкой энергии, и затем их поглощают протоны, и заставляют электронов больше нет. Поэтому ядро коллапсирует, притом быстро, со скоростью примерно в четверть от скорости света.
Железный шар в 3000 км стремительно превращается в скопление нейтронов диаметром 30 км. По сути, получается нейтронная звезда. Давление изнутри теперь нет, поэтому всё вещество вокруг ядра устремляется к центру и тоже со скоростью 25 процентов от скорости света. Вещество ударяется об нейтронную звезду, отскакивает, создавая сильнейшую ударную волну.
Но этой кинетической энергии не хватает на взрыв сверхновой. Нет, главную роль тут играет кое-что другое — нейтрино. В первую очередь я их помню как частицы, которые ничем особенно не заняты. Они очень редко взаимодействуют с веществом. В секунду сквозь наше тело проходит 100 триллионов, и ничего, чтобы с вероятностью в 50 процентов поймать одну такую частицу, понадобится свинцовая пластинка длиной один световой год.
Их воздействие ограничивается гравитацией и слабым взаимодействием, но когда в умирающей звезде электроны поглощаются протонами, свободных нейтрино вокруг оказывается очень много — примерно 10 в 58 степени. Казалось бы, они должны просто разлететься в стороны примерно со скоростью света. Но сверхновая — это очень плотное ядро, примерно в 10 триллионов раз плотнее свинца. Оно запирает в себе нейтрино и их энергию, что в конечном счёте приводит к взрыву.
И вот эта частица, которая в миллионы раз легче электрона и два, способных взаимодействовать хоть с чем-нибудь, вызывает мощнейшие взрывы во Вселенной. Всего сотую долю 1 % при этом составляет электромагнитное излучение, видимое для нас свет. Но даже этого хватает, чтобы взрыв сверхновой был ярче целой галактики. Около одного процента энергии это кинетическая энергия вещества, а большую часть энергии составляют нейтрино.
К слову, именно нейтрино становятся для нас первым признаком взрыва сверхновой. Как только они появляются в ядре, часть нейтрино вырывается наружу, при том, раньше, чем ударная волна дойдет до поверхности звезды, где образуется свет, который мы видим. Нейтрино достигает Земли часами раньше, чем фотоны, благодаря чему астрономы могут навести телескопы на нужную часть.
Когда я учился в колледже, мне удалось поработать в нейтринной обсерватории. Мне выпали ночные смены с полуночи до восьми утра. Если в свою смену я бы заметил, что фиксируется слишком много нейтрино, я должен был срочно будить учёных, чтобы они успели понаблюдать взрыв сверхновой. Сверхновых я не засек. Интересно, и наблюдения были.
Давайте проясним пару вещей. Во-первых, не все очень массивные звезды взрываются. Некоторые в итоге превращаются в чёрные дыры, то есть взрыва сверхновой не происходит. К тому же у сверхновых может быть и другой источник: иногда белые карлики, очень плотные звезды, притягивают вещество ближайших к ним звёзд. А когда масса достигает предела Чандрасекара, то есть 1,4 масс Солнца, она взрывается.
И это тоже сверхновая. Именно такой взрыв наблюдал Кеплер в 1604 году и произошёл 20,000 световых лет назад. Ударные волны расходятся несимметрично. Сверхновая объясняет быстро движущиеся нейтронные звёзды. Мы знаем про одну такую, которая движется со скоростью 1,600 км/с. Считается, что она так разогналась из-за очень несимметричного взрыва сверхновой, который вытолкнул её в сторону.
Объяснение сверхновых появилось совсем недавно. Однако человечество наблюдало их тысячи лет. В древности их видели астрономы Индии, Китая, арабских и европейских стран. Но происходят эти взрывы довольно редко. В галактике наподобие Млечного Пути, где около 100 миллиардов звёзд, за столетие случается один-два взрыва сверхновой.
Интересен пример такого события, произошедшего в 1054 году. Сверхновую на расстоянии 6,5 тысяч световых лет заметили китайские астрономы. Если сегодня посмотреть туда, где её обнаружили, вы увидите крабовидную туманность — огромное облако радиоактивного вещества, оставшееся после взрыва. Примерно за тысячу лет туманность разрослась до 11 световых лет в диаметре. Сверхновые испускают много космических лучей — это частицы, в основном протоны, ядра гелия, которые перемещаются со скоростью, близкой к скорости света, и у них просто невероятно много энергии.
На каком расстоянии должна быть сверхновая, чтобы навредить Земле, не считая Солнца? Ближе всего к нам тройная звезда системы Альфа Центавра. От нас до неё 4,4 световых года. Однако звёзды движутся; какая-нибудь из них оказывается на расстоянии одного светового года от Земли примерно раз в 500 тысяч лет. Что будет, если она взорвётся в этот момент? На расстоянии светового года до нас вполне достанет просто кинетической энергией.
Мне кажется, с такого расстояния вполне возможно, что нашу атмосферу сдует. Но этим дело не кончится. Сверхновые создают условия, в которых могут синтезироваться вещества тяжелее железа. После взрыва в течение нескольких месяцев эти вещества проходят радиоактивный распад и испускают гамма- и космические лучи. В гамма-лучах от такого распада испускается меньше одной десятой процента энергии сверхновой.
Но даже такое количество опасно в пределах нескольких световых лет от сверхновой. Радиация вполне может убить. Хотя большая её часть не пропустит нашу атмосферу; от солнечной радиации, космических лучей Землю защищает атмосфера. А если точнее, молекулы озона, которые состоят из трёх атомов кислорода. Но высокоэнергетические космические лучи от взрыва сверхновой способны разрушать молекулы азота в атмосфере.
Если до Земли дотянется слишком много космических лучей, мы лишимся озонового слоя и окажемся беззащитными перед всем космическим излучением. К слову, во времена взрывов сверхновых отмечается повышенное содержание NO3 в атмосфере. В пределах 30 световых лет сверхновой редкость: взрывы случаются один раз в полтора миллиарда лет или около того. Но в недавней работе говорится о том, что смертельно опасной для нас может оказаться сверхновая на расстоянии до 150 световых лет.
А такое происходит гораздо чаще. Есть свидетельство о взрыве сверхновой как раз на таком расстоянии около 2,5 млн лет назад. Его могли увидеть древние предки человека, например, австралопитеки. Узнали мы об этом благодаря тому, что на Земле нашли вещества, которые могли появиться здесь только из-за взрыва сверхновой, в осадочных слоях, которые образовались 2,6 млн лет назад. Железо-60 — это изотоп, в котором на четыре нейтрона больше, чем в самом распространённом варианте железа.
Получить железо-60 довольно сложно. Тут не поможет Солнце, да и в других местах Солнечной системы его не получить. Железо-60 появляется только благодаря взрывам сверхновых. Этот изотоп радиоактивен, его период полураспада равен 2,6 млн лет. Через каждый такой промежуток времени половина железа-60 распадается на кобальт-60.
Железо-60, которое было на Земле в момент её появления, определенно распалась за 4,5 млрд лет. Поэтому железо-60, которое нашли учёные, настойчиво указывает на недавний взрыв сверхновой. Там же обнаружилось небольшое количество марганца-53, который дополнительно свидетельствует в пользу версии о взрыве сверхновой на относительно небольшом расстоянии. То событие не обернулось никакими трагическими последствиями для наших предков, но некоторые исследователи предполагают, что оно могло сказаться на массовом вымирании на границе плеоцена и плейстоцена, о котором говорят ископаемые соответствующего периода.
Тогда вымерло примерно треть морской мегафауны. Гипотеза такова: космические лучи сталкивались частицами земной атмосферы, что приводило к появлению мейонов — заряженных частиц более чем в 200 раз тяжелее электрона. Поток мейонов после взрыва сверхновой был в 150 раз интенсивнее нормального. Чем крупнее было животное, тем больше оно получало радиации от мейонов, и поэтому основной удар пришелся на мегафауна обитателей мелководья. При этом пострадали сильнее, чем виды, жившие на большой глубине, где от воздействия мейонов защищает вода.
Есть и другие подтверждения этого взрыва сверхновой. Например, наше расположение в галактике: если посмотреть на пространство между звёзд Млечного Пути, окажется, что в среднем на кубический метр приходится около миллиона атомов водорода. Кажется, довольно много, но это практически вакуум. Но на сотни световых лет во всех направлениях от Солнечной системы атомов водорода на кубический метр в тысячу раз меньше. Их, как будто ветром, сдуло.
Солнечная система располагается на этаком космическом пустыре, пузыре с пониженной плотностью. Возможно, это говорит о том, что эту область от водорода расчистили десятки взрывов сверхновых. Но во Вселенной есть взрывы и опаснее сверхновых — гамма-всплески. Их открыли с помощью спутников, которые должны были искать признаки советских ядерных испытаний. 2 июля 1967 известны два источника гамма-всплесков: слияние нейтронных звёзд и коллапс ядра гигантской звезды.
Такое называют гиперновой. Это взрывы быстро вращающихся звёзд, превосходящих Солнце по массе в 30 и более раз. Их коллапс приводит к взрывам в 10 раз мощнее, чем обычные сверхновые. После этого остаётся чёрная дыра. При гамма-всплесках большая часть энергии выделяется в виде узкого пучка всего несколько градусов шириной. Если бы такой всплеск произошёл на расстоянии до 6000 световых лет от нас, повреждение озонового слоя Земли привело бы к катастрофическим последствиям.
Давайте оценим какое-то расстояние: сфера радиусом 6000 световых лет вместит в себе сотни миллионов звёзд. 9 октября 2022 года астрономы заметили один из мощнейших гамма-всплесков, которые мы наблюдали. Силы всплеска хватало, чтобы повлиять на то, как эта сфера отражает. Эффект оказался примерно такой же, как от вспышки на Солнце, только вот гамма-всплеск произошёл в галактике на расстоянии двух с половиной миллиардов световых лет от Земли.
Астрономы предполагают, что подобный всплеск мог вызвать ордовикское-силурийское вымирание. Оно произошло около 440 миллионов лет назад. Тогда погибли 85 процентов морских видов. Прямых доказательств этому нет, но гамма-всплески не такая уж редкость. Считается, что с вероятностью 50 процентов в предыдущие 500 млн лет относительно недалеко от нашей планеты произошёл гамма-всплеск, который серьезно повредил озоновый слой и привёл к вымиранию видов.
Итак, если сейчас недалеко от Земли произойдёт взрыв сверхновой или гамма-всплеск, нам не позавидуешь. Однако, что иронично, в каком-то смысле мы обязаны таким событием своим существованием. Больше четырёх с половиной миллиардов лет назад, скорее всего, именно ударная волна от сверхновой где-то неподалеку привела к тому, что началось сжиматься облако газа и пыли, из которого постепенно сформировалась Солнечная система.
Ни Солнце, ни Земля, ни мы с вами даже не появились бы, если бы однажды где-то не взорвалась звезда.