Остатки вспышек сверхновых
Оста́тки вспы́шек сверхно́вых, туманности, возникающие после взрывов сверхновых звёзд. Остатки вспышек сверхновых состоят из выброшенного взрывом вещества звезды и поглощённого («сгребённого») ударной волной межзвёздного вещества.
Возможны два сценария вспышек сверхновых звёзд:
белый карлик, накапливая падающее на него вещество звезды-спутника, достигает критической массы, после чего начинается его стремительное сжатие и происходит термоядерный взрыв, полностью разрушающий звезду (т. н. термоядерные сверхновые);
массивная звезда, исчерпав термоядерное топливо, коллапсирует под действием сил собственной гравитации; при этом ядро сжимается и превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру, а внешние слои сбрасываются (т. н. коллапсирующие сверхновые).
В обоих случаях взрыв выбрасывает в окружающую среду всё вещество звезды или бóльшую его часть со скоростью, достигающей 10 % от скорости света. Средняя скорость расширения оболочек у термоядерных сверхновых составляет 8–12 тыс. км/с, у коллапсирующих – 3–8 тыс. км/с. При столкновении выброшенного вещества с околозвёздным или межзвёздным газом возникает ударная волна, нагревающая газ до температуры порядка 107 К.
Эволюция остатков вспышек сверхновых определяется взаимодействием выброшенного при взрыве сверхновой вещества с окружающей межзвёздной средой. В процессе своего развития они проходят через следующие стадии:
Свободное расширение выброшенного вещества продолжается до тех пор, пока масса выметенного ударной волной межзвёздного вещества не превысит массу выброшенного звёздного вещества. Продолжительность этой стадии составляет от нескольких десятков до нескольких сотен лет, в зависимости от плотности окружающей газовой среды.
Ударная волна существенно замедляется, возникает возвратная ударная волна, движущаяся к центру адиабатически остывающего остатка вспышки сверхновой. Столкновения ударных волн горячего газа сопровождаются мощным рентгеновским излучением.
Внешняя оболочка остатка сверхновой охлаждается, и формируется тонкая (толщиной менее 1 пк) и плотная (с концентрацией 1–100 млн атомов/м3) оболочка вокруг очень горячей (с температурой несколько миллионов кельвинов) внутренней полости. Наступает фаза радиативного охлаждения. Оболочка становится доступной для наблюдения в видимом диапазоне спектра благодаря рекомбинации ионизованных атомов водорода и кислорода.
Внутренняя полость остатка вспышки сверхновой охлаждается; плотная оболочка продолжает расширяться под влиянием собственной инерции. На этой стадии остаток сверхновой лучше всего наблюдать в радиолиниях атомов нейтрального водорода.
Примерно через несколько сотен тысяч лет скорость расширения оболочки уменьшается до среднестатистических скоростей газовых облаков в окружающем пространстве (около 10 км/с). Размер остатка сверхновой при этом может достичь нескольких десятков парсеков.
Остатки вспышек сверхновых подразделяются на 3 основных типа: оболочечные, плерионы и комбинированные. Оболочечные остатки сверхновых характеризуются плотной горячей оболочкой, которая наблюдается как кольцеобразная структура с резкой внешней границей (примером является остаток сверхновой SNR 0509–67.5). Плерионы (от греч. πλήρης – заполненный) имеют аморфную структуру, излучение концентрируется к центру. Комбинированные остатки сверхновых могут выглядеть как оболочечные или как плерионы в зависимости от диапазона длин волн излучения, в котором проводятся наблюдения. Различают термальные комбинированные остатки вспышек сверхновых, которые выглядят как оболочечные в радиодиапазоне и как плерионы в рентгеновских лучах, и плерионные комбинированные остатки сверхновых, которые наблюдаются как плерионы и в радио-, и в рентгеновском диапазонах, однако также имеют оболочку.
Крабовидная туманность – остаток вспышки сверхновой звезды, которая наблюдалась на Земле в 1054. Расположена в созвездии Телец на расстоянии около 6500 световых лет от Земли. В центре туманности находится нейтронная звезда (пульсар), в которую превратилось сжавшееся ядро родительской звезды. Фото: космический телескоп «Хаббл».Остатки вспышек сверхновых можно наблюдать в нашей Галактике и соседних галактиках Местной группы. В нашей Галактике известно около 300 остатков сверхновых, в Магеллановых Облаках – около 60. Многочисленные популяции остатков сверхновых обнаружены в галактиках Туманность Андромеды (M31), Треугольника (M33), Боде (M81), Вертушка (M101), Фейерверк (NGC 6946) и др.
Наиболее известные и хорошо изученные остатки сверхновых в нашей Галактике – Крабовидная туманность, Кассиопея A, остатки вспышек сверхновых Тихо Браге и Кеплера. В Большом Магеллановом Облаке можно наблюдать раннюю стадию формирования остатка после вспышки сверхновой SN 1987A. Крабовидная туманность – остаток взрыва коллапсирующей сверхновой, яркую вспышку которой наблюдали в 1054 г. Это плерион, в центре которого находится пульсар – нейтронная звезда, остаток сколлапсировавшего ядра звезды. Энергия, выделяющаяся при замедлении вращения пульсара, обеспечивает свечение туманности. Кассиопея A – самый яркий радиоисточник на земном небе, однако в оптическом диапазоне туманность очень тусклая. Это оболочечный остаток взрыва коллапсирующей сверхновой, который, вероятно, произошёл около 1680 г., однако на Земле вспышка не наблюдалась. Остатки вспышек сверхновых Тихо Браге и Кеплера – оболочечные, образовавшиеся после вспышек термоядерных сверхновых, наблюдавшихся соответственно в 1572 и 1604 гг.
Остатки вспышек сверхновых играют важную роль в эволюции межзвёздной среды: они нагревают её, перемешивают и обогащают тяжёлыми химическими элементами. На фронте ударной волны происходит ускорение заряженных частиц – возникают космические лучи сверхвысоких энергий. Столкновение расширяющихся остатков сверхновых с плотными газово-пылевыми облаками может инициировать процесс звездообразования.
Цветков Дмитрий Юрьевич