Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Потребность в отталкивающей гравитации начала просачиваться сквозь трещины нашего понимания Вселенной. Но большинство астрономов все еще скептически относились к столь экзотическому явлению, как темная энергия. Смелые заявления требовали надежных доказательств, вот только доказательства эти отсутствовали. В 1998 году две группы ученых опубликовали свои измерения далеких сверхновых. А вместе со сверхновыми на повестке дня вновь оказался вопрос о темной энергии.

Путь, освещенный вспышками звезд

Вспышка сверхновой — одно из мощнейших явлений Вселенной, во время которого гигантские звезды разлетаются на части. Во время взрыва сверхновая может на пару дней или недель превзойти яркостью целую галактику Но тут речь идет не только об эффектном явлении. Ведь, несмотря на разрушительную природу вспышек сверхновых, своим существованием человечество обязано остаткам сверхновой.

Первоначально, когда реликтовое излучение только образовалось, во Вселенной не было практически ничего, кроме атомов водорода и гелия — легчайших химических элементов. Было, правда, незначительное количество еще двух элементов — лития и бериллия. А все остальные химические элементы образовались вследствие ядерных реакций в звездах. Соответственно, даже земные кислород и углерод появились благодаря звездам. Когда звезда гаснет и умирает, все элементы разлетаются по космосу и начинают объединяться в новые системы, такие, например, как наша Солнечная. А потому можно с полной уверенностью сказать, что люди состоят не только из углерода, но и из звездной пыли.

Только вот незадача: звездные ядерные реакции не вырабатывают химических элементов тяжелее кислорода. Тем не менее на Земле полно более тяжелых элементов, таких как железо и свинец, не говоря уже о кремнии, который составляет до 28 процентов массы Земли. Львиная доля этих элементов образовалась при вспышках сверхновых. Иными словами, мы не просто звездная пыль — мы еще и пыль сверхновой. Без сверхновых нас вообще бы не было.

Как и многое другое во Вселенной, сверхновые встречаются всевозможных форм и размеров. По сути, наш старый знакомый Фриц Цвикки, швейцарец, изучавший скопления галактик, был пионером в классификации сверхновых и разделении их на подгруппы.

Подкатегории характеризуются спектрами, содержащими следы разного количества химических элементов. Кроме того, сверхновые обладают разным периодом светимости. Но один тип сверхновых представляет для наших поисков темной энергии особый интерес — в классификации он называется «тип 1а».

На пике сверхновые этого типа пылают с одинаковой светимостью, поэтому астрономы могут использовать их как стандартные свечи. Помните, мы ранее говорили о пульсирующих переменных звездах с известной светимостью — цефеидах? Известная яркость позволяет нам рассчитать расстояние до цефеид, измерив количество получаемого света точно так же, как расстояние до особняка, когда мы смотрим на свет факелов вдоль дороги. Яркость цефеид привлекательна еще и потому, что их можно увидеть с большого расстояния. Мы уже поняли, что цефеиды светят в несколько десятков тысяч раз ярче Солнца. Но тут появляются новые стандартные свечи: вспышки сверхновых типа 1а, которые светят уже примерно в пять миллиардов раз ярче Солнца и в миллион раз ярче цефеид. А это дает нам возможность наблюдать за сверхновыми типа 1а, находящимися в тысячу раз дальше, чем цефеиды.

Но вспышки сверхновых встречаются редко и длятся недолго. Через несколько дней или недель после взрыва они уже начинают тускнеть. Кроме того, мы никогда не знаем, где и когда ожидать следующую вспышку. Следовательно, если использовать сверхновые для картографирования расстояний во Вселенной, необходимы систематические и точные исследования. Только в 1990-х годах ученые смогли начать использовать сверхновые для измерения Вселенной на гораздо большие расстояния, чем раньше. Результат оказался ошеломляющим.

Но, прежде чем восхищаться результатами, давайте посмотрим, что же такое сверхновая типа 1а. И почему у этих сверхновых именно такая светимость?

Лопнувшие от обжорства белые карлики

Сверхновые типа 1а образуются в двойных системах, где две звезды обращаются друг вокруг друга. Такое явление на просторах Вселенной не редкость. Но для рождения сверхновой типа 1а необходимо выполнить еще несколько условий. Для начала одна из звезд должна быть так называемым белым карликом.

Белые карлики — это старые потухшие звезды. Они израсходовали химические элементы, ранее служившие топливом для термоядерных реакций, а поэтому белый карлик лишь тлеет, излучая остатки былого тепла. Но не все звезды в конце своего жизненного пути превращаются в белые карлики. Какой будет смерть звезды, зависит по большей части от се первоначальной массы. Звезды в диапазоне от половины до восьми солнечных масс превращаются в белые карлики. Нашего любимого Солнца это тоже касается, но, к счастью, этой стадии оно достигнет лишь через миллиарды лет. А вот более массивные звезды в итоге превращаются в старые добрые нейтронные звезды или черные дыры. Ранее я писал, что бутылка из-под газировки с нейтронным веществом весила бы как вся вода в озере Мьёса. С белыми карликами дело обстоит несколько иначе, однако они настолько компактны, что та же бутылка с веществом белого карлика будет весить как реактивный самолет.

Эволюция живой звезды в белый карлик похожа на драматичный танец со смертью, в котором звезда сбрасывает с себя вещество. И поэтому масса оставшегося белого карлика никогда не будет превышать массу Солнца больше, чем в 1,44 раза. Это такая особая граница, известная как предел Чандрасекара, названный в честь индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара (1910–1995). В активной звезде, где в центре происходят ядерные реакции, всегда будет сохраняться баланс между излучением термоядерных реакции, выталкивающим вещество звезды наружу, и силой гравитации, сжимающей звезду внутрь. В белом карлике же никаких ядерных реакций нет и в помине, однако гравитация по-прежнему не отступает. От коллапса звезду удерживает только то, что называется давлением вырожденного электронного газа. Это квантовомеханический эффект, заставляющий электроны сопротивляться сжатию. Как только масса белого карлика превышает верхний предел, давление электронного вырождения теряет свою власть. Равновесие между силой гравитации и силой давления, а значит, и сам белый карлик терпят крах.

Но как может белый карлик, масса которого в 1,44 раза больше массы Солнца, внезапно превысить этот магический предел? И вот тут в игру вступает вторая звезда-компаньон вместе со вторым условием образования сверхновой типа 1а. Если белый карлик обращается вокруг другой, как правило, более крупной звезды, гравитационная сила белого карлика сможет притянуть вещество своего компаньона. Обычные активные звезды обладают протяженной атмосферой, вещество которой непрерывно притягивается к поверхности белого карлика. Со временем белый карлик становится все более и более массивным, пока не достигнет предела Чандрасекара, и тогда… Бум! Вот вам и сверхновая типа 1а.

Понятное дело, ход событий, во время которых рождается сверхновая, значительно сложнее, чем просто взрыв, но общий принцип я вам описал. Удивительно, что все эти взрывы случаются с весьма схожими между собой звездами с практически одинаковой массой, а именно 1,44 массы Солнца. Поэтому и все вспышки сверхновых этого типа очень похожи, что позволяет нам использовать их в качестве мощных стандартных свечей. Правда, у этих сверхновых тоже есть различия. Точная светимость зависит, в частности, оттого, какой газ белый карлик притянул от соседней звезды. А еще эти различия заметны благодаря скорости затухания звезды.