Остатки вспышек сверхновых звезд

Т.А.Лозинская

Жизнь массивных звезд кончается эффектно-вспышкой сверхновой. При этом звезда либо взрывается полностью, либо ее ядро катастрофически сжимается, а внешние слои разлетаются с огромной скоростью. След, остающийся в межзвездной среде от этой гигантской космической катастрофы, называют остатком вспышки сверхновой (ОВС). По существу, ОВС напоминает гигантский огненный шар, а затем-атомный гриб, сопровождающий ядерные взрывы в атмосфере Земли. Современные всеволновые методы исследований показали, что комплекс явлений, которые мы называем ОВС, охватывает область межзвездной среды размером десятки парсеков и наблюдается в течение десятков и сотен тысяч лет. Подчеркнем, что комплекс этот достаточно сложен, он включает несколько газовых компонет разной плотности и температуры, пыль, релятивистские частицы (космические лучи) и магнитное поле. Масса выброшенного при взрыве сверхновой вещества достигает нескольких масс Солнца, скорость его разлета 10-20 тыс. км/с, а значит кинетическая энергия порядка 10⁴⁴ Дж!

Стремительный разлет оболочки сверхновой генерирует в межзвездной среде систему ударных волн, которые распространяются по окружающему газу, сгребая его и нагревая до высокой температуры. Через десятки и сотни лет на месте катастрофы наблюдаются плотные сгустки взорвавшейся звезды и плотные конденсации нагретого ударными волнами околозвездного газа, возможно, выброшенного самой же звездой задолго до взрыва сверхновой. Эти плотные сгустки имеют температуру около (2-5) 10⁴ К и излучают преимущественно в оптическом диапозоне. Горячая разреженная плазма в выброшенной оболочке и сгребенный околозвездный газ, нагретые ударными волнами до температуры 10⁶-10⁸ K, излучают в рентгеновском диапазоне. Сравнительно недавно выделен новый компонент излучения: инфракрасное свечение пыли, нагревшейся от контакта с горячим газом остатка сверхновой до температуры 30-50 К.

В нашей Галактике пока открыто шесть сравнительно молодых остатков сверхновых (СН), вспыхнувших в последнем тысячелетии. Наиболее известны Крабовидная туманность (остаток вспышки СН 1054 г.), Кассиопея А (вспышка СН не наблюдалась, но по разлету выброшенных сгустков датируется 1680 годом), остатки сверхновых Тихо Браге (СН 1572 г.) и Кеплера (СН 1604 г.). Эти молодые ОВС наблюдаются как оптические туманности, яркие источники рентгеновского и инфракрасного излучения. Скорость расширения этих туманностей все еще достаточно велика, 2000-6000 км/с, размер-2-4 пк. Все они являются также яркими источниками синхротронного радиоизлучения, Кассиопея А вообще ярчайший радиоисточник нашей Галактики.

Крабовидная туманность в созвездии Тельца - остаток вспышки сверхновой 1054 года.

Синхротронное радиоизлучение остатков сверхновых вызвано движением релятивистских заряженных частиц в межзвездном магнитным поле, усиленном из-за сжатия газа за фронтом ударной волны. В молодых ОВС релятивистские частицы ускоряются самой ударной волной, а в старых остатках в основном излучают галактические космические лучи.

Если при взрыве сверхновой рождается пульсар, то инжектируемые им релятивистские частицы и магнитное поле являются источником синхротронного излучения в радио, рентгеновском, ИК и оптическом диапазонах. В результате наблюдается объект, подобный Крабовидной туманности. Любопытно, что сам пульсар может при этом наблюдаться или не наблюдаться в зависимости от его ориентации.

Туманность IC 443.

Ударная волна, вызванная разлетом оболочки сверхновой, постепенно тормозится окружающей средой, масса сгребенного межзвездного газа достигает нескольких сотен масс Солнца; но еще задолго до этого не остается никаких следов излучения выброшенного при взрыве вещества звезды. Размер старых ОВС достигает десятков парсеков и даже сотен парсеков, если остаток расширяется в среде очень низкой плотности. Скорости разлета старых ОВС падают до сотен и десятков км/с. Они наблюдаются как тонковолокнистые оптические туманности, яркие в радиодиапазоне, такие как Петля Лебедя и IC443. По мере замедления скорости разлета ОВС и остывания горячего газа его рентгеновское излучение становится несущественным. Когда скорость расширения оболочки сравнивается со скоростью хаотичеких движений газовых облаков в Галактике (около 8 км/с), остаток сверхновой становится неразличим в межзвездной среде, но это происходит спустя сотни тысяч лет после родившего его взрыва звезды.

Петля в лебеде.

Астрономы достаточно точно знают, как взрыв сверхновой влияет на межзвездную среду: знают энергию взрыва, размер и время жизни возмущенной им области, знают частоту рождения звезд и частоту вспышек сверхновых (в нашей Галактике сверхновые вспыхивают раз в 50-100 лет). Зная все это, легко убедиться, что отдельные ОВС успевают столкнуться и слиться друг с другом еще до того, как полностью рассеются в межзвездной среде. Поскольку сливаются горячие пузыри, окруженные сравнительно плотной холодной оболочкой, большая часть газа галактичекого диска оказывается заполненной этой горячей разреженной плазмой. Таким образом, вспышки сверхновых регулируют физическое состояние межзвездной среды в галактиках, подобных нашей. Особенно хорошо это заметно в области молодых звездных ассоциаций, в которые входят десятки и сотни массивных звезд. Там эти вспышки происходят чаще и ближе друг к другу, чем в среднем по Галактике. В результате частых вспышек в богатых звездных ассоциациях формируются массивные расширяющиеся сверхоболочки размером в сотни парсек, иногда до 1-2 килопарсек. Существенную роль в образовании сверхоболочек играет также непрерывное истечение вещества с поверхности звезд-так называемый звездный ветер. Такие сверхоболочки хорошо видны на фотографиях близких галактик, например, Большого Магелланова Облака.

Расширение сверхоболочек приводит к нарушению устойчивости близлежащих молекулярных облаков. Это может инициировать их сжатие и образование нового поколения массивных звезд. Так происходит кругооборот вещества в Галактике. Звезды образуются из газовой материи, обогащают ее тяжелыми элементами в результате ядерных реакций в центре звезды и при взрыве СН и затем выбрасывают вещество в межзвездную среду в виде звездного ветра, путем сброса оболочек (планетарных туманностей, оболочек вокруг некоторых типов массивных звезд) и в результате вспышек СН. А расширение сверхоболочек, образованных суммарным действием звездного ветра и вспышек сверхновых в звездных группировках, инициирует новые эпизоды звездообразования.