Долгая смерть Бетельгейзе и её научные аспекты

Ранее я публиковал в этом блоге пост «Координаты чудес» о достоверно или предположительно известных сверхновых, взрывы которых произошли в историческое время. Два последних таких события, зафиксированных с Земли, относятся к периоду зарождения оптической астрономии: 1572 год (звезда Браге) и 1604 год (звезда Кеплера). 32 года – чрезвычайно краткий интервал для таких событий, и с тех пор ни одного подобного взрыва в нашей Галактике не наблюдалось. Однако в 1987 году, в период зарождения нейтринной астрономии, взрыв сверхновой был зафиксирован в туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке (одной из двух галактик-спутников Млечного Пути). Событие получило название SN 1987A. Наблюдения проводились в обсерватории Лас-Кампанас в Чили, но незадолго до того, как последствия взрыва стали видны невооружённым глазом (звёздная величина +3), на него среагировали детекторы нейтрино. Поток нейтрино при взрыве сверхновой настолько велик, что явственно фиксировался на Земле, хотя нас от места этого события отделяет 168 000 световых лет.

Сверхновая 1987А была тем более необычна, что возникла на месте голубого гиганта, а, согласно современным представлениям, механизм возникновения сверхновой объясним только как завершающая стадия эволюции красного сверхгиганта, и на месте красного сверхгиганта может возникнуть не только сверхновая, но и чёрная дыра.

Вернуться к этой теме меня побудила череда пертурбаций, которые в мае-июне 2023 года (на момент написания этой статьи) претерпевает одна из ярчайших звёзд нашей галактики, красный сверхгигант Бетельгейзе. 25 мая статью о текущем состоянии Бетельгейзе публиковал уважаемый @SLY_G. Ниже рассмотрим, каковы могут быть последствия гибели сверхгиганта, чем они интересны для науки и каким образом их пытаются прогнозировать и моделировать.     

Как правило, Бетельгейзе замыкает десятку ярчайших звёзд ночного неба (его ставят на 9 или 10 место).

А вот как выглядят 25 самых ярких звёзд в телескоп:

Яркость Бетельгейзе существенно упала в октябре 2019 года и восстановилась к апрелю 2020 года. В декабре 2019 звезда потеряла до трети своей видимой яркости и выпала даже из топ-20. Первая гипотеза заключалась в том, что между нами и красным гигантом могло пройти постепенно рассеявшееся облако межзвёздного газа. Анализу причин такого потемнения было посвящено целое исследование, проведённое специалистами Парижской обсерватории и Лёвенского Католического Университета в Бельгии, завершённое в 2021 году. Мигель Монтагре из Парижской обсерватории обратил внимание, что мы впервые можем наблюдать изменение яркости звезды практически в режиме реального времени.

В работе, опубликованной в журнале Nature, группа пришла к выводу, что звезда визуально потускнела, так как некоторое время была окутана газопылевой вуалью, образовавшейся из отделившихся от Бетельгейзе внешних слоёв. Такая вуаль, в свою очередь, образовалась из-за некоторого остывания поверхности Бетельгейзе.

Поверхность Бетельгейзе бурлит, так как в верхних слоях звезды постоянно образуются, всплывают и лопаются огромные газовые пузыри. Команда заключила, что непосредственно перед Великим Потускнением звезда извергла такой пузырь, в результате чего участок поверхности немного остыл, и часть звёздного вещества перешла в твёрдое состояние (пыль). Именно так и образуется звёздная пыль, затем идущая на формирование протопланетных дисков.

Итак, Бетельгейзе – переменная звезда. Переменными называются звёзды, яркость которых циклически колеблется. Достоверно известно около 150 000 переменных звёзд и ещё тысячи «кандидатов». Строго говоря, Солнце – тоже слегка переменная звезда, поскольку яркость Солнца меняется в ходе 11-летних циклов Чижевского. Все переменные звёзды бывают истинно переменными («intrinsic», в русской терминологии – физические), у которых переменность обусловлена внутренними причинами, а также «затменно-двойными» — такие звёзды только кажутся переменными с Земли. Физические переменные звёзды, в свою очередь, подразделяются на несколько категорий:

Бетельгейзе относится именно к пульсирующим переменным звёздам; его внешние слои сжимаются и расширяются с определённой периодичностью. Естественно, при расширении звезды увеличивается поверхность, излучающая свет, поэтому и оптическая яркость звезды возрастает.  

У Бетельгейзе такой цикл расширения и сжатия составляет около 425 дней. Возможно, мы наблюдаем очередной такой цикл. На более длительных временных отрезках потускнение Бетельгейзе может объясняться возникновением пятен, таких же, как и на Солнце, но гораздо более обширных. Такой цикл Бетельгейзе, аналогичный солнечным циклам Чижевского, может продолжаться около 6 лет. Возможно, сейчас мы наблюдаем наложение максимумов двух этих циклов (425 дней и 6 лет).

Невероятность взрыва

Таким образом, при всей предрасположенности Бетельгейзе к превращению в сверхновую, крайне маловероятно, что он взорвётся в течение текущего века. Исходя из яркости, цвета, размера и примерного возраста Бетельгейзе можно предположить, что по астрономическим меркам в Бетельгейзе совсем недавно начался тот этап термоядерного синтеза, при котором гелий превращается в углерод. Далее углерод должен преобразоваться в кислород, кислород в кремний и кремний в железо. Только на железе этот процесс прекращается, и умирающая звезда в зависимости от массы превращается в сверхновую или в чёрную дыру. По мнению Джареда Голдберга, астрофизика из института Флэтайрон в Нью-Йорке, Бетельгейзе может просуществовать в таком переменном состоянии ещё от 10 000 до 100 000 лет.

В 2022 году группа Ральфа Нойхойзера из Универстета Фридриха Шиллера в Йене провела историческое исследование, согласно которому ещё около 2000 лет назад Бетельгейзе не был красным гигантом, а относился к оранжевым или жёлтым звёздам. Так, около 100 года до н.э. китайский придворный астроном Сыма Цянь писал о цветах звёзд: «белый как Сириус, красный как Антарес, жёлтый как Бетельгейзе, синий как Беллатрикс». Независимо от Цяня, римский астроном Гай Юлий Гигин, умерший в 17 году н.э, указывал, что Бетельгейзе имеет такой же цвет, как и жёлто-оранжевый Сатурн. Другие античные авторы, в частности, Птолемей (100 – 170) указывают, что Бетельгейзе не относится к числу красных звёзд, таких, как Альдебаран и Антарес. В свою очередь, Тихо Браге, работавший в конце XVI века, указывал, что Бетельгейзе даже более красный, чем Антарес. Вот как выглядят Бетельгейзе и Антарес сегодня.

Тем не менее, когда ситуация подойдёт к взрыву, мы её ни с чем не спутаем. Первым предвестником скорого взрыва будет мощный поток нейтрино (см. раздел 2.2 и далее здесь). После того, как в результате термоядерных реакций значительная часть гелия превратится в неон, события станут развиваться лавинообразно.  

Неон начинает гореть, когда температура в ядре достигает ∼ 1.4×10⁹ K. Неон-20 частично начинает разлагаться на кислород-16 и гелий-4, а частично, в процессе захвата альфа-частиц (ядер гелия) превращается в магний-24 и кремний-28. Горение неонового ядра в звезде на 15 солнечных масс   (15 M⊙) длится около года. В результате образуется кислородно-кремниевое ядро.

Когда температура в центре звезды достигает 1,6 × 10⁹ K, начинает схлопываться и гореть кислородно-кремниевое ядро. На это уходит от 9 до 14 месяцев. В результате промежуточных реакций формируется сера, и кремниево-серное ядро схлопывается на протяжении около двух месяцев. На данном этапе начинает формироваться последнее, железное ядро. Температура в ядре к этому моменту достигает ∼ 3×10⁹ K, а кремний преобразуется в железо примерно за 4-5 дней или немного дольше, учитывая, что запасы кремния немного пополняются за счёт последних остатков кислорода. Железное ядро состоит из железа, кобальта и никеля, и на данном этапе термоядерные реакции прекращаются. Формирование железного ядра – эндотермическая реакция. Звезда в течение нескольких часов или суток тускнеет, после чего происходит взрыв.  

Судьба Бетельгейзе

Непосредственно перед гибелью Бетельгейзе все эти события на протяжении 1,5-2 лет будут хорошо просматриваться с Земли. Особенно характерно будет выглядеть «неоновый» этап. Невооружённым глазом он будет просматриваться как мерцание, а в телескоп будет выглядеть как фейерверк. Остаток сверхновой вспыхнет не менее чем вполовину ярче полной Луны (или даже сравнится по яркости с Луной). Он будет выглядеть как ярчайшая звезда, визуально более крупная, чем Венера. Она будет хорошо видна днём, а ночью будет отбрасывать хорошо заметные тени.

Взрыв сверхновой должен сопровождаться всплеском жёсткого космического излучения, и при подобном событии в относительной близости от Земли последствия могли бы быть катастрофическими, вплоть до массового вымирания. В 2020 году в университете Урбана-Шампейн, штат Иллинойс, под руководством Брайана Филдса вышло исследование, позволяющее предположить, что именно взрыв сверхновой мог спровоцировать массовое вымирание на рубеже каменноугольного и девонского периода 360 миллионов лет назад. По расчетам Филдса, сверхновая могла взорваться на расстоянии около 20 парсек (65,2) световых лет от Земли. В результате жёсткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение поливало нашу планету на протяжении более 100 000 лет. Был значительно повреждён озоновый слой, обновился запас радиоактивных изотопов самария-146 (период полураспада 68 ± 7 миллионов лет) и плутония-244 (период полураспада 81 миллион лет). Тем не менее, к полному исчезновению жизни это не привело, и, по оценке Филдса, «убийственная дистанция» при взрыве сверхновой составляет около 25 световых лет. Поэтому взрыв Бетельгейзе нам ничем не угрожает и представляет строго научный интерес. Но ответа на вопрос, когда он может произойти, у нас по-прежнему нет. В самом «пессимистичном» (для звезды) варианте она вошла во второй этап с вышеприведённого рисунка: сейчас состоит преимущественно из гелия и активно варит из него углерод.

Мигель Монтагре из Парижской обсерватории, о котором я упоминал выше, считает, что проследить вероятную судьбу Бетельгейзе удобно, наблюдая другой хорошо известный красный гигант — VY Большого Пса, расположенный в 3 900 световых годах от Земли. Эта звезда стабильно тускнеет на протяжении последних 100 лет и, вероятно, находится гораздо ближе к гибели, чем Бетельгейзе. В конце XIX века она ещё была видна невооружённым глазом, а сегодня окутана плотными облаками остывающего вещества, которые просматриваются только в телескоп, причём, в инфракрасном спектре. По-видимому, VY Большого Пса потеряла уже более 60% своего вещества, а у Бетельгейзе пока сохраняется не менее 95% звёздного вещества. Монтагре полагает, что майское повышение яркости Бетельгейзе – временное, и уже летом гигант вернётся к своей обычной звёздной величине. Если же к сентябрю этого не произойдёт, либо звезда станет ещё ярче – то к ней придётся присмотреться внимательнее, так как такое развитие событий можно будет считать неординарным.  

Коллаборация DUNE

Как я уже упоминал над катом, одной из самых высокотехнологичных научных областей, которые помогут предвосхитить взрыв сверхновой, является нейтринная астрономия. Напомню, что гравитационные волны в 2015 году удалось открыть именно благодаря детектору LIGO, исходно предназначавшемуся именно для поиска звёздных нейтрино. Аналогичная коллаборация под названием DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) должен быть запущен в эксплуатацию в конце 2020-х, совместно разрабатывается знаменитым Фермилабом и Чикагским университетом. Сам детектор DUNE располагается в подземном исследовательском комплексе Сэнфорд в штате Южная Дакота и представляет собой резервуар с жидким аргоном, оборудованный нейтринными детекторами. Пока он в тестовом режиме обнаруживает нейтрино, специально направляемые в него из Фермилаба.  

Когда работа над DUNE будет завершена, детектор войдёт в систему раннего оповещения о сверхновых (SNEWS). Это глобальная сеть нейтринных детекторов, которая, теоретически, должна зафиксировать зарождение сверхновой в любой точке Млечного Пути. Учитывая, что нейтрино, в отличие от света, (почти) не взаимодействуют с материей и не рассеиваются, предполагается, что они могут достичь детекторов на несколько часов раньше, чем мы увидим вспышку (даже в телескопы). Пока SNEWS ещё ни разу не сработала. Сегодня известны сотни остатков сверхновых, многие из которых представляют собой туманности (такова, в частности, Крабовидная туманность), но все эти взрывы произошли в далёком прошлом. Даже в 1987 году, на момент взрыва в Магеллановом Облаке, система SNEWS ещё не функционировала. Тем не менее, поток нейтрино от сверхновой «ни с чем не перепутаешь», а его резкое прекращение послужит сигналом, что звезда оказалась слишком массивной и, не успев взорваться, превратилась в чёрную дыру. Таких событий в истории астрономии пока не наблюдалось.

Сверхновая в лаборатории

Вероятно, именно так выглядела Крабовидная туманность сразу после взрыва, наблюдавшегося на Земле как сверхновая 1054 года. Поскольку эта туманность давно привлекает внимание астрономов (вошла ещё в каталог Мессье, составленный в 1774 году французским астрономом Шарлем Мессье), а спектральный анализ позволяет уверенно судить о её составе, в заключение этой статьи я расскажу ещё об одном амбициозном проекте, реализуемом с 2020 года до наших дней в Технологическом институте штата Джорджия. Группа исследователей под руководством Бена Муски (Ben Musci) попыталась сымитировать взрыв сверхновой в лаборатории.

«Это машина высотой шесть футов, похожая на большой ломтик пиццы», — описывает её Бен Муски. В неё подаётся энергия направленного взрыва, а ударная волна проходит через два слоя газа, порождая в них мощные турбулентные завихрения, отдалённо похожие на те, что возникают во внешних газовых оболочках звезды при взрыве сверхновой. Вихри подсвечиваются лазером, и весь процесс (в сантиметровом масштабе) отснимается на камеру. Далее нужна чистая математика, чтобы экстраполировать происходящие в камере процессы на звёздные масштабы.

Участвующий в проекте инженер Девеш Ранжан отмечает, что у команды ушло два года, чтобы исключить из модели артефакты, не имеющие отношения к физике звёзд, например, вторичные ударные волны, отражающиеся от стенок камеры. Также требовалось довести до реалистичных значений температуру, радиационный фон и гравитацию. Кроме того, взрыв сверхновой должен быть близок по форме к идеальной сфере, чего в лаборатории также можно достичь лишь с серьёзными приближениями. Однако сами вихри и паттерны их распространения в газовой среде при реальном взрыве сверхновой эволюционируют и выравниваются в течение от недель до сотен лет, а в эксперименте Муски на это уходили секунды или минуты. Расслоение образующихся при этом газов и перепады их концентрации, в конечном итоге, могут пролить свет на образование планетных систем и звёздных яслей.

Таким образом, мы готовы к вспышке сверхновой несравнимо полнее, чем Кеплер, учившийся у Браге и, в сущности, родившийся в нужном месте в нужное время. Не исключено, что Бетельгейзе доживёт и переживёт тот момент, когда наша цивилизация сама окажется в состоянии зажечь первую миниатюрную сверхновую, и кончина Бетельгейзе (в ожидании которой зарождается и развивается целая научная область) будет представлять преимущественно эстетический интерес.