Поймать падающую звезду или напряженное ожидание сверхновой

Если Стивену Смартту повезет, то однажды он сможет получить сообщение, которое заблаговременно предупредит астрофизика о том, что одно из самых необычных явлений, известных науке, вот-вот озарит ночное небо. Сигналы, передаваемые автоматическими телескопами и подземными детекторами, покажут, что звезда в нашей галактической окрестности только что превратилась в сверхновую.
Сверхновая возникает, когда звезда разрушает себя настолько, что может затмить свет целой галактики. За последнюю тысячу лет только пять из них были видны невооруженным глазом. По иронии судьбы, все они произошли до изобретения телескопа.
"Мы знаем о сверхновых по их появлению в других галактиках и по остаткам, оставшимся в нашей собственной галактике", - говорит Смартт, астрофизик из Университета королевы Белфаста. "Но нам бы хотелось увидеть одну из них, которая появится достаточно близко от нас, чтобы мы могли изучить ее с помощью современных телескопов и детекторов".
Когда вспыхивает сверхновая, она осыпает космос тяжелыми элементами - поэтому наблюдение за такой звездой поблизости позволило бы получить ценную информацию о создании материи в нашей галактике.
"Большинство элементов тяжелее кислорода были созданы в сверхновой, а затем разлетелись по космосу", - говорит профессор Марк Салливан из Саутгемптонского университета. "Эти атомы обеспечивают галактику материалом, необходимым для жизни. Кальций в ваших костях и железо в вашей крови, а также золото в кольце на вашем пальце - все они были созданы в результате взрывов сверхновых".
Этот образ продолжает волновать писателей и художников. По словам Жанетт Уинтерсон, астрономы доказали, что нашим первым настоящим родителем была звезда и что мы состоим из элементов, которые являются "долгоживущими радиоактивными ядерными отходами взрыва сверхновой". Или, говоря проще: "Мы - звездная пыль".
Самый распространенный тип сверхновых возникает, когда у очень большой звезды заканчивается топливо, останавливая процесс ядерного синтеза, который поддерживает ее сияние. Внешние слои звезды падают внутрь, протоны и электроны сминаются вместе, образуя нейтроны, которые собираются в сверхплотный шар. Материя продолжает сыпаться на этот нейтронный шар, а затем отскакивает назад, вызывая ударную волну, которая разрушает звезду.
Все, что остается после звезды - это нейтронная сфера, которая настолько плотная, что ее спичечный коробок весил бы около 3 млрд тонн. А если звезда-прародитель, приведшая к сверхновой, была особенно большой, то эта нейтронная звезда станет настолько тяжелой, что образует черную дыру, из которой ничто не сможет вырваться, даже свет.
Это сверхновая с коллапсом ядра, и она может высвободить больше энергии, чем наше Солнце за все 10 млрд лет своей жизни. Если звезда в нашей галактике, находящаяся слишком далеко, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом на Земле, станет сверхновой, то она вдруг засияет так ярко, что ее можно будет увидеть при дневном свете.
По оценкам ученых, в среднем в такой галактике, как наша, каждые тысячу лет происходит около 20 сверхновых. Однако за последнее тысячелетие наблюдалось только пять. Восточноазиатские и арабские записи свидетельствуют о том, что сверхновые были в 1006, 1054 и 1181 годах, а европейские документы говорят о том, что они произошли в 1572 и 1604 годах.
Первая из этой последней пары вспыхнула в ноябре 1572 года и была замечена датским астрономом Тихо Браге. "Над головой внезапно появилась странная звезда, сверкающая лучезарным блеском", - вспоминал он. "Я стоял неподвижно и смотрел... Когда я убедился, что ни одна звезда такого рода никогда прежде не сияла, я пришел в такое недоумение от невероятности происходящего, что начал сомневаться в вере своих собственных глаз".
Но если сверхновые звезды такие яркие, почему за последние 1000 лет мы обнаружили только пять? Почему мы не увидели число, близкое к 20, о котором говорят наблюдения за другими галактиками? Ответ прост, говорит Салливан. "Наша галактика похожа на плоскую тарелку, а наша Солнечная система находится примерно на две трети пути к ее краю. Сверхновая, которая произойдет на другой стороне тарелки, будет просто заслонена всей пылью и звездами, которые находятся в центре галактики".
С тех пор астрономы наблюдали сверхновые в других галактиках и изучали остатки тех, которые произошли внутри нашей галактики. К ним относятся светящиеся нити Крабовидной туманности, остатки сверхновой, которая озарила ночное небо в 1054 году нашей эры и с тех пор распространяется по космосу.
Подобные галактические обломки свидетельствуют об огромных разрушениях, которые несут сверхновые. Однако, по мнению ученых, эти звездные конвульсии также являются важным двигателем созидания. Помимо того, что они осыпают космос тяжелыми элементами, от которых зависит жизнь, они также играют ключевую роль в формировании планет и звезд, говорит астрофизик Козимо Инсерра из Кардиффского университета.
"Сверхновая посылает ударные волны по галактике, которые ударяют по облакам газа и пыли в космосе, сжимая их так, что в их центрах начинают формироваться протозвезды. В конце концов, начинается ядерный синтез, который воспламеняет запасы водорода в звезде, и она начинает светиться. Образуются планеты, которые вращаются вокруг звезды. Вероятно, именно так возникли наше Солнце и Солнечная система".
Тем не менее, сверхновые представляют угрозу. "Если бы одна из них произошла в пределах 20 парсеков - примерно 60 световых лет - от Земли, ее интенсивные космические лучи могли бы разрушить наш защитный озоновый слой, что позволило бы повышенному уровню ультрафиолетового излучения от Солнца достичь нас", - говорит Салливан. Однако такое воздействие может оказать только одна очень близкая к Земле звезда, и в настоящее время вблизи нас нет звезд-кандидатов, готовых уничтожить себя таким образом, добавляет он.
С другой стороны, очевидно, что сверхновые звезды взрывались вблизи Земли и в прошлом. В качестве доказательства ученые указывают на открытие радиоактивного изотопа железа, известного как железо-60, который был обнаружен в отложениях морского дна, залегавших 2,5 млн лет назад, и в других отложениях, образовавшихся около 7 млн лет назад. Железо-60 вырабатывается сверхновыми, и эти отложения свидетельствуют о том, что в течение последних 10 млн лет вблизи Земли вспыхнуло по меньшей мере две сверхновые, вероятно, на расстоянии около 100 парсек, или 320 световых лет.
Какое влияние это оказало на планету, неизвестно. "Возможно, повысилась активность космических лучей, и это могло повлиять на формирование облаков на Земле или уменьшить количество солнечной радиации, достигающей земли", - говорит профессор Джон Эллис из Королевского колледжа Лондона. "Это могло вызвать изменение климата, что, в свою очередь, могло повлиять на ход эволюции человека".
Помимо довольно поразительной перспективы того, что появление Homo sapiens могло быть сформировано местными сверхновыми, эти открытия также позволяют предположить, что их могло быть достаточно много, чтобы оказать реальное влияние на жизнь на ранних этапах истории нашей планеты.
"Если вы нашли две, которые произошли довольно близко от Земли в течение последних 10 млн. лет, это говорит о том, что за последний миллиард лет должны были появиться сотни", - утверждает Эллис. "Некоторые из них были довольно далекими... но несколько были близки, скажем, на расстоянии 10 парсек". И мы должны четко понимать: если бы сверхновая взорвалась в 10 парсеках от нашей планеты, она, скорее всего, вызвала бы массовое вымирание".
Земля пережила по крайней мере пять массовых вымираний, каждое из которых уничтожило тысячи видов животных, растений и морских обитателей, и по крайней мере одно из них было вызвано внеземным агентом: астероидом, который врезался в Землю в конце мелового периода 66 миллионов лет назад, уничтожив динозавров.
В других массовых вымираниях винят земные катастрофы - например, крупномасштабный вулканизм. Однако теперь ученые подозревают, что в одном другом случае виновато потустороннее событие. Они указывают на породы, сформировавшиеся в конце Девонского периода 360 млн лет назад, когда произошло очередное массовое вымирание, уничтожившее аммонитов, трилобитов и другие ранние формы жизни.
По словам астронома Брайана Филдса из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн, эти породы содержат сотни тысяч поколений спор растений, которые, по-видимому, были сожжены ультрафиолетовым светом - свидетельство длительного события, связанного с истощением озонового слоя. "Мы предполагаем, что один или несколько взрывов сверхновых звезд на расстоянии около 65 световых лет от Земли могли стать причиной длительной потери озона, - утверждает он.
Этот взрыв сначала омыл бы Землю мощным рентгеновским и гамма-излучением, а затем его обломки врезались бы в планету, лишив ее защитного озонового слоя. Этот астрономический двойной удар подверг бы поверхность планеты смертельной радиации на срок до 100 000 лет и привел бы к массовому вымиранию.
В настоящее время ученые ищут дальнейшие доказательства этой идеи. Они отказались от поиска атомов железа-60, поскольку они слишком быстро распадаются, чтобы пережить 360 миллионов лет после массового вымирания в позднем девоне. Вместо этого они планируют искать атомы изотопа плутония-244, который также образуется при взрывах сверхновых и может сохраниться в течение нескольких сотен миллионов лет. Эти исследования уже ведутся.
Тем временем ученые готовятся к тому, чтобы как можно быстрее отреагировать на первые признаки начала близлежащей сверхновой. Очень важно, что эти первые сигналы будут исходить не от вспышек света, а от подземных детекторов, предназначенных для обнаружения самой незначительной сущности во Вселенной - нейтрино.
"Нейтрино - это первое, что появляется после сверхновой", - говорит Смартт. Они настолько незначительны, что их очень трудно обнаружить, и приборы должны быть установлены в таких местах, чтобы они не улавливали ложных сигналов от других источников".
"Однако если будет обнаружено достаточное их количество, то будет разослано автоматическое предупреждение, и массивы телескопов, которые мы используем для изучения ночного неба, будут повернуты в сторону источников этих нейтрино. Тогда мы будем готовы изучать первые всплески излучения и света, исходящие от сверхновой, и наблюдать за тем, как она разворачивается".
Хотя ученые уверены, что сверхновая произойдет в 2022 году, вопрос о том, произойдет ли она в нашей галактике, совсем другой. В любой конкретный год это маловероятная перспектива. С другой стороны, однажды это может произойти именно в нашей галактической окрестности. Если это произойдет, астрономы говорят, что они будут готовы.....