Что мы увидим, если Бетельгейзе станет сверхновой

Перевод. Оригинал: This Is What We’ll See When Betelgeuse Really Does Go Supernova

Пока легендарная звезда продолжает тускнеть, мир затаил дыхание и надеется. Вот что ждет нас, когда наступит роковой день.

Среди звезд на ночном небе, обычно статичных и неизменных, имеются исключения. Бетельгейзе, красный сверхгигант, составляющий одно из «плеч» созвездия Ориона, не только колеблется в яркости, но и тускнеет так, как никогда не наблюдалось нынешним поколением астрономов. Когда-то находившаяся среди 10 самых ярких звезд на небе, теперь она сопоставима с яркостью звезд на поясе Ориона, и она продолжает тускнеть.

Нет никаких научных оснований полагать, что сегодня Бетельгейзе грозит большая опасность стать сверхновой, чем в любой другой случайный день в течение следующих ~100 000 лет или около того, но многие из нас, включая очень многих профессиональных астрономов, надеются стать свидетелями первой сверхновой, видимой невооруженным глазом в нашей галактике с 1604 года. Хотя она не представляет для нас опасности, зрелище будет впечатляющим. Вот что мы сможем наблюдать на Земле.

Эта симуляция поверхности красного супергиганта, ускоренная для отображения года эволюции всего за несколько секунд, показывает, как «нормальный» красный супергигант развивается в течение относительно спокойного периода без заметных изменений его внутренних процессов. Огромная площадь его поверхности и изменчивость тонких внешних слоев приводит к огромной изменчивости в коротких, но нерегулярных временных масштабах. (BERND FREYTAG WITH SUSANNE HÖFNER & SOFIE LILJEGREN)

Прямо сейчас, Бетельгейзе -  огромный шар, неправильной формы и с неравномерной температурой поверхности. Расположенный на расстоянии около 640 световых лет, он более чем на 2000 °C холоднее нашего Солнца, но также намного больше, примерно в 900 раз больше радиуса Солнца и объемом примерно в 700 000 000 раз больше нашего Солнца. Если вы замените наше Солнце на Бетельгейзе, она поглотит Меркурий, Венеру, Землю, Марс, пояс астероидов и даже Юпитер!

Но есть также огромные, протяженные выбросы вокруг Бетельгейзе из материала, который был унесен за последние несколько десятков тысячелетий: вещество и газ, которые простираются дальше, чем орбита Нептуна вокруг нашего Солнца. Со временем, по мере приближения взрыва сверхновой звезды, Бетельгейзе будет терять больше массы, продолжит расширяться, будет хаотично тускнеть, и будет сжигать все более тяжелые элементы в своем ядре.

Вокруг Бетельгейзе образовалась туманность из выброшенного вещества, которая для масштаба показана во внутреннем красном круге. Эта структура, напоминающая пламя, исходящее от звезды, образуется потому, что Бетельгейзе сбрасывает свою материю в космос. Протяженные выбросы превосходят размер орбиты Нептуна вокруг Солнца. (ESO/P. KERVELLA)

Даже когда она перейдет от синтеза углерода к неону, кислороду, к кремнию, у нас не будет каких-либо непосредственно наблюдаемых признаков этих событий. Скорость синтеза в ядре и выработки энергии изменится, но наше понимание того, как это влияет на фотосферу и хромосферу звезды - части, которые мы можем наблюдать, слишком слабое, чтобы мы могли делать конкретные прогнозы. Энергетический спектр нейтрино, образующихся в ядре, который, как мы знаем, будет изменяться, не имеет значения, поскольку поток нейтрино слишком мал, чтобы его можно было обнаружить за сотни световых лет.

Но в какой-то критический момент в эволюционном процессе звезды горение кремния во внутреннем ядре завершится, и радиационное давление в глубине Бетельгейзе резко упадет. Поскольку это давление было единственным, что удерживало звезду от гравитационного коллапса, внутреннее ядро, состоящее из таких элементов, как железо, кобальт и никель, теперь начнет схлопываться.

Художественная иллюстрация (слева) внутренней части массивной звезды в финальной стадии, предсверхновой, горения кремния (сжигание кремния - это стадия, когда в ядре образуются железо, никель и кобальт). Изображение Чандры (справа) Кассиопеи. В остатке сверхновой сегодня присутствуют такие элементы, как железо (синим цветом), сера (зеленым) и магнием (красным). Ожидается, что Бетельгейзе будет следовать пути, очень похожему на ранее наблюдаемые сверхновые. (NASA/CXC/M.WEISS; Рентген: NASA/CXC/GSFC/U.HWANG&J.LAMING)

Трудно представить себе масштаб этого явления: объект, насчитывающий около 20 солнечных масс, распределенных по объему орбиты Юпитера, внутреннее ядро ​​которого сопоставимо (и более массивно) с размером Солнца, внезапно начинает быстро разрушаться. Несмотря на то, что гравитационная сила притягивала все к себе, она уравновешивалась радиационным давлением, образующимся вследствие ядерного синтеза внутри. Теперь этот снитез (и это внешнее давление) внезапно исчез, и коллапс продолжается беспрепятственно.

Атомные ядра внутри звезды - плотная совокупность железа, никеля, кобальта и других подобных элементов - сильно сжимаются и сливаются в огромный шар нейтронов. Слои, лежащие на них, также разрушаются, но отскакивают от плотной прото-нейтронной звезды в ядре, которая вызывает невероятный взрыв ядерного синтеза. Когда слои накапливаются, они отскакивают, создавая волны синтеза, излучения и давления, которые каскадно проходят через звезду.

Во внутренних областях начинает формироваться нейтронная звезда, в то время как внешние слои сталкиваются с ней и испытывают свои собственные реакции безудержного синтеза. Производятся нейтроны, нейтрино, радиация и необычайное количество энергии. (TERASCALE SUPERNOVA INITIATIVE)

Эти реакции синтеза происходят в течение примерно 10 секунд, и подавляющее большинство энергии уносится в форме нейтрино, которые почти никогда не взаимодействуют с веществом. Оставшиеся несущие энергию частицы, в том числе нейтроны, ядра, электроны и фотоны, порождают свой энергетический каскад и распространяются через все внешние слои звезды.

В результате этого нейтрино становятся первыми сигналами, которые должны быть испущены звездой, и первыми сигналами, которые прибывают на Землю. С энергиями, которые сверхновые передают этим частицам - порядка ~ 10–50 МэВ на квант энергии, нейтрино будут двигаться со скоростями, неотличимыми от скорости света. Когда бы не взорвалась сверхновая  на самом деле (или она могла уже взорваться, это могло произойти в любое время с 14-го века), нейтрино прибудут сюда на Землю первыми, примерно через 640 лет.

Нейтринное событие, которое можно определить по кольцам черенковского излучения, которые появляются вдоль трубок фотоумножителя, выстилающих стенки детектора, демонстрирует успешное использование нейтринной астрономии и использование черенковского излучения. Это изображение показывает несколько событий и является частью набора экспериментов, прокладывающих наш путь к большему пониманию нейтрино. Нейтрино, обнаруженные в 1987 году, ознаменовали начало как нейтринной астрономии, так и ребрендинга экспериментов по распаду нуклонов как экспериментов с детекторами нейтрино. (SUPER KAMIOKANDE COLLABORATION)

В 1987 году сверхновая, находящаяся на расстоянии 168 000 световых лет, создала сигнал чуть более 20 нейтрино на трех небольших детекторах нейтрино, которые работали в то время. Сегодня существует множество различных нейтринных обсерваторий, гораздо больших и более чувствительных, чем те, которые были в нашем распоряжении 33 года назад, и Бетельгейзе, находящаяся всего в 640 световых годах от Земли, посылает на Землю сигнал, примерно в 70 000 раз более сильный из-за ее близости.

В 2020 году, если Бетельгейзе станет сверхновой, наша первая надежная сигнатура будет в виде высокоэнергетических нейтрино, наводняющих наши нейтринные детекторы по всему миру со всплеском продолжительностью около 10–15 секунд. Буквально миллионы, возможно, даже десятки миллионов нейтрино будут зарегистрированы одновременно этими обсерваториями. Несколько часов спустя, когда первые энергетические волны, возникшие в результате этого катаклизма, достигнут внешних слоев звезды, к нам достигнет «прорыв» фотонов: быстрый скачок, который невероятно увеличит оптическую яркость Бетельгейзе.

В 2011 году одна из звезд в далекой галактике, которая оказалась в поле зрения миссии НАСА «Кеплер», спонтанно и по счастливой случайности стала сверхновой. Это был первый случай, когда сверхновая была обнаружена при переходе от нормальной звезды к стадии сверхновой, с неожиданным «прорывом», временно увеличивающим яркость звезды примерно в 7000 раз по сравнению с ее предыдущим значением. (NASA AMES/W. STENZEL)

Внезапно светимость Бетельгейзе резко возрастет примерно в 7000 раз по сравнению с ранее устойчивым значением. Она превратится из одной из самых ярких звезд на ночном небе в яркий тонкий полумесяц: примерно в 40 раз ярче планеты Венера. Эта пиковая яркость будет длиться всего несколько минут, а затем снова станет примерно в 5 раз ярче, чем была раньше, но затем начнется традиционный рост сверхновой.

В течение приблизительно 10 дней яркость Бетельгейзе будет постепенно возрастать, и в конце концов она станет такой же яркой, как полная Луна. Ее яркость превзойдет все звезды и планеты примерно через час, достигнет яркости полумесяца за три дня и достигнет максимальной яркости примерно через 10 дней. Для наблюдателей по всему земному шару Бетельгейзе будет казаться даже ярче, чем полная луна, поскольку вместо того, чтобы распространяться на пол градуса (как полная луна), вся ее яркость будет сосредоточена в единственной, яркой точке.

Созвездие Ориона, как оно будет выглядеть, если бы Бетельгейзе стала сверхновой в ближайшем будущем. Звезда будет сиять примерно так же ярко, как полная луна. (WIKIMEDIA COMMONS USER HENRYKUS/CELESTIA)

Будучи сверхновой типа II, Бетельгейзе будет оставаться яркой в течение очень долгого времени, хотя в этих классах сверхновых существуют большие различия в том, насколько они становятся яркими и насколько яркими они остаются в течение длительных периодов времени. Сверхновая, после достижения максимальной яркости, постепенно начнет исчезать в течение примерно месяца, становясь тусклой, примерно как лунный полумесяц, через 30 дней.

Однако в течение следующих двух месяцев ее яркость выйдет на плато и станет тусклее только для инструментов и астрофотографов; типичный человеческий глаз не сможет различить изменение яркости за это время. Внезапно, однако, яркость резко упадет в течение следующего (четвертого) месяца с момента взрыва: к концу того времени она вернется к тому, что станет чуть ярче Венеры. И, наконец, в течение следующего года или двух она постепенно исчезнет, а остаток сверхновой будет виден только через телескопы.

Сверхновые типа II варьируются между различными подтипами и отдельными событиями, но подчиняются одной и той же общей кривой: рост длится примерно 10 дней, короткий спад длится месяц, плато длится еще два месяца, крутой спад длится месяц и затем постепенное исчезновение, продолжающееся год или дольше. (A. SINGH ET AL. (2019), APJ, 882, 1)

При пиковой яркости Бетельгейзе будет сиять примерно так же ярко, как 10 миллиардов Солнц, собранных вместе; к тому времени, когда пройдет пара лет, она будет слишком слабой, чтобы быть замеченной невооруженным человеческим глазом. Причина, по которой сверхновая звезда остается такой яркой в течение первых трех месяцев или около того, связана не с самим взрывом, а с комбинацией радиоактивных распадов (например, кобальта) и расширяющихся газов в остатке сверхновой.

В течение первых трех месяцев Бетельгейзе будет настолько яркой, что будет хорошо видна как днем, так и ночью; только после четвертого месяца или около того она станет объектом наблюдения только для ночного времени. В тоже время выброшенная материя должна оставаться освещенной и видимой через телескоп в течение десятилетий, столетий и даже тысячелетий. Она станет ближайшим остатком сверхновой в истории человечества и останется зрелищным объектом (и астрономическим объектом изучения) для будущих поколений.

Движущаяся наружу ударная волна материала от взрыва 1987 года, который произошел на расстоянии 168 000 световых лет, продолжает сталкиваться с предыдущим выбросом от ранее массивной звезды, нагревая и освещая материал, когда происходят столкновения. Широкий спектр обсерваторий по-прежнему видит остаток сверхновой сегодня, но сверхновая Бетельгейзе будет еще ближе, ее легче будет изучать, и она подарит нам гораздо более впечатляющий визуальный и научный праздник. 

Когда Бетельгейзе, наконец, превратится в сверхновую, и это может произойти сегодня вечером, в следующем десятилетии или через 100 000 лет, она станет самым грандиозным астрономическим событием в истории человечества, видимым почти всем жителям Земли. Первый поступивший сигнал вообще не будет визуальным, а в форме нейтрино, неуловимой частицы, которая наводнит наши наземные детекторы.

Остаток, состоящий из газообразных наружных слоев, освещаемых в течение тысячелетий, будет продолжать радовать наших потомков на протяжении будущих поколений. Мы понятия не имеем, когда начнется шоу, но, по крайней мере, мы знаем, что искать и ожидать, когда оно действительно произойдет!