Ну, и о сверхновых.
Собственно, сверхновыми называют разные явления, которые внешне можно отличить по спектру и светимости взрыва - а характер и механизм у них совсем разный. Если пренебрегать деталями, выглядят они примерно так:
Самый популярный (в литературе) взрыв сверхновой - это сверхновая типа II. Процесс выглядит так:
Температура и давление внутри звезды зависит от ее массы. Гиганты и сверхгиганты имеют такую массу, что в их центре понемногу начинают идти ядерные реакции, дающие большой энергетический выход, но и требующие колоссальных температур, в звездах меньшего размера не достигающихся. Со временем термоядерный синтез приводит к обогащению внутренних областей звезды тяжёлыми элементами ( в самых больших звездах, сверхгигантах и гипергигантах - железом и никелем. Образование более тяжелых элементов энергию уже не выделяет, а потребляет, поэтому они при ядерном синтезе а недрах звезд практически не образуются).
В процессе термоядерного синтеза и образования тяжёлых элементов звезда сжимается, а температура в её центре растёт. После образования такого обогащенного тяжелыми элементами ядра его сжатие продолжается, и термоядерные реакции начинают происходить в более высоком слое звезды вокруг центрального ядра, там, где ещё осталось невыгоревшее термоядерное топливо. В результате у самых массивных звезд образуется слоистая структура - обогащенное железом ядро, в котором нет реакций,над ним - слои реакций кислорода и углерода, а еще выше - слои реакций менее тяжелых элементов. Постепенно ядро все растет, давление в нем все увеличивается, температура - повышается.
Все это время ядро звезды успешно противостоит сжатию, потому что при сжатии возрастает температура и давление, этому сжатию противостоящие.
Однако в в некоторый момент из-за высокого давления и температуры в ядре звезды протоны начинают поглощать электроны, превращаясь в нейтроны. В этом процессе образуются нейтрино - и это очень печально, ибо они свободно покидают ядро, нося с собой энергию. Этот процесс нейтринного охлаждения ядра звезды и есть знаменитый URСA-процесс.
В результате потери энергии ядро начинает сжиматься, причем это сжатие уже не вызывает роста давления и температуры - любое их повышение ускоряет образование нейтрино и усиливает охлаждение ядра. В результате, как только начинается нейтринное охлаждение, сжатию уже ничто не противостоит, и ядро звезды стремительно коллапсирует, образуя волну разрежения вокруг себя. Внешние слои звезды стремительно обрушиваются вслед за сжимающимся с околосветовыми скоростями ядром, после удара (и под действием мощнейшего нейтринного всплеска) отбрасываются от него, и формируется сверхмощная ударная волна с температурой в десятки и сотни миллиарды градусов, несущаяся наружу и буквально раскидывающая остатки внешних частей звезды в пространство. На фронте ударной волны из-за колоссальных температур идут термоядерные реакции, в ходе которых образуются все элементы таблицы Менделеева. К этому добавляется еще и перенос энергии в вышележащие слои все тем же потоком нейтрино.
Со стороны виден взрыв колоссальной мощности со светимостью, равной светимости небольшой галактики. Дальше к нему добавляется еще и распад образовавшихся нестабильных элементов...
Таким образом заканчивают жизнь звезды гиганты с массой, превышающей массу Солнца в несколько раз.
Но это - далеко не единственный вариант взрыва сверхновой. Более того - не самый частый. Несколько более частыми являются взрывы сверхновых типа I (строго говоря - Ia, там есть разные тонкости).
Такой взрыв происходит в двойной системе, аналогичной системе новой звезды. Если мы имеем двойную звезду, одним из компонентов которой является белый карлик, размер которого достаточно велик, то может произойти интересное явление - на поверхность карлика от оболочки его компаньона попадает вещество. Масса карлика постепенно растет.Растет давление и температура в его центре. Практически весь карлик представляет собой выгоревшее ядерное топливо, но если температура в его центре растет, она может достичь предела, после которого в этом веществе опять начнутся ядерные реакции. Например, если карлик остался после гиганта массой в две-три солнечных, то ядерное горение в нем остановилось на образовании углерода и кислорода, после чего оболочка звезды улетучилась, а ядро сжалось. Теперь же температура в центре карлика из-за роста его массы может подняться настолько, что в какой-то момент углерод и кислород начинают вступать в термоядерную реакцию, образуя элементы группы железа. Как только эта реакция начинается, она оказывается неустойчивой и начинает быстро распространяться к поверхности, вызывая сверхмощный термоядерный взрыв, вдребезги разносящий поверхностные слои карлика. Мощность такого взрыва сравнима с мощностью ранее описанного взрыва сверхновой типа II, несколько превосходя ее, да и вообще они кое в чем похожи.
Собственно, главное отличие описанных типов взрывов сверхновых со стороны - в спектре взрыва типа Ia практически нет водорода, потому что его уже не оставалось в белом карлике.
Это еще не все. Существуют также типы сверхновых Ib и Ic, по механизму взрыва совсем не похожие на тип Ia, а сходные именно с типом II - они тоже появляются из-за гравитационного коллапса звезды. Разница со "стандартным" взрывом сверхновой типа II заключается только в том, что при этом взрываются массивные звезды в двойных системах, потерявшие водород в оболочке, в результате чего в спектре взрыва водорода нет, и именно по этому признаку их вначале путали со взрывами типа Ia. Собственно, типы I и II - это исторически сложившееся наименование наблюдательных эффектов взрыва, отличаются они именно тем, есть ли в спектре взрыва водород (тип II) или его нет (тип I).
Кстати, если сверхновые типа Iа встречаются везде, где есть звезды, потому что от возникновения звезды до ее смерти как белого карлика и последующего взрыва по описанному механизму проходят сотни миллионов и миллиарды лет, то сверхновые остальных типов - только в областях интенсивного звездообразования, потому что время жизни звезд, взрывающихся как сверхновые, составляет лишь несколько миллионов или десятков миллионов лет, и они не успевают покинуть эти области. Этим сверхновые типа Iа коварны - заведется жизнь в укромном и уютном месте, начнет развиваться, надеясь на безопасность - а потом произойдет в двух-трех десятках световых лет взрыв типа Ia - и узнает биота в последние мгновения своего существования, что абсолютно безопасных мест в космосе практически нет...
И, наконец, отдельный разговор - о самых грандиозных взрывах звезд - гиперновых.
Их очень немного. Как и гипергигантов - звезд массами от ста солнечных и выше. Зато их взрывы грандиознее взрывов сверхновых. Причина - в первую очередь, в том, что при взрыве таких звезд их ядро не успеет сколлапсировать - при быстром сжатии ядра гипергиганта его энергия может оказаться столь большой, что "остыть" URCA-процессом за несколько секунд оно не успевает, и в нем при колоссальных температурах начинают рождаться электрон-позитронные пары. Они быстро уносят энергию из ядра (как нейтрино в URCA-процессе), ядро в результате продолжает сжиматься, рождая новые электрон-позитронные пары - и, в конце концов, полностью разрушается. А позитроны захватываются вышележащими слоями оболочки звезды, в ней выделяется колоссальная энергия, в результате чего такой взрыв гиперновой оказывается во много раз мощнее любого другого взрыва сверхновой звезды.
Некоторые подробности:
Коллапс ядра гипергиганта начинается таким же образом, как и коллапс ядра любой сверхновой звезды. Однако температура в ядре гипергиганта очень высока - она может превышать триста миллионов градусов, а при такой температуре ядро излучает достаточно жесткие гамма-кванты.Подсчеты показывают, что в зависимости от массы гипергиганта и скорости его вращения взрыв звезды может развиваться по нескольким вариантам.
1. Для любой звезды массой менее примерно 100 солнечных масс гамма-кванты будут, как и в случае обычных сверхновых типа II, выноситься в наружные слои звезды, нагревать их - и при коллапсе ядра за счет URCA-процесса произойдет обычный описанный ранее взрыв сверхновой. Только более мощный.
2. В случае не слишком быстро вращающейся звезды массой от 100 до примерно 130 масс Солнца произойдет следующее: некоторые фотоны приобретут настолько высокую энергию, что сталкиваясь с электронами и ядрами атомов более высоких и холодных слоев звезды, они начнут порождать пары электронов с позитронами. В сущности, и для звезд меньшей массы этот процесс будет иметь место - но доля фотонов столь высокой энергии там оказывается небольшой и существенного влияния на развитие процесса взрыва она не оказывает. В нашем же случае доля таких фотонов достаточно велика - и в результате внешние слои могут быстро нагреться до огромных температур. Результат будет парадоксальным - быстрый нагрев внешней оболочки звезды приведет к ее расширению, падению давления, которое внешние части звезды оказывают на ядро, и, следовательно, к стабилизации поведения звезды и некоторому продлению длительности ее жизни. Внешние же слои, нагретые излучением гамма-квантов и аннигиляцией рожденных при этом позитронов, могут расшириться настолько, что со стороны это будет казаться мощным взрывом, произошедшим на звезде.
Именно таким странным образом жизнь звезды несколько стабилизируется - происходит неразрушающий взрыв мощностью, близкой мощности "обычной" сверхновой, внешние слои звезды разлетаются, звезда продолжает существование. Потом это процесс может повториться. А потом рано или поздно произойдет описанный выше взрыв мощной сверхновой.
Так что, скорее всего, для звезд массой до 130 солнечных масс именно так все и заканчивается - они претерпевают один или несколько таких взрывов, сбрасывая массу, пока, в конце концов, их ядерное топливо в центре окончательно не выгорает, и звезда не взрывается очень яркой сверхновой, как в предыдущем случае.
3. Для звезд с небольшой скоростью вращения и массой, ориентировочно, от 130 до 250 солнечных масс этот процесс происходит куда эффектнее.
Рано или поздно случайный всплеск рождения электрон-позитронных пар в окружающей ядро оболочке окажется настолько мощным, что давление на ядро повысится. Это вызовет, в свою очередь, рост интенсивности образования в ядре жестких гамма-квантов, а следовательно - еще большее повышение тепловыделения и рост давления во внешней оболочке - еще большее повышение интенсивности образования в ядре гамма-квантов - еще больший рост температуры и давления в оболочке... Лавинообразно нарастающий процесс потери устойчивости приведет в результате к колоссальному выносу энергии в прилегающие к ядру слои звезды, в результате которого в этих слоях начинается термоядерный синтез тяжелых (до железа и далее) элементов с дальнейшим тепловыделением. В самом ядре, которое на этой стадии у звезд этой массы практически полностью состоит из железа, начинается синтез никеля и кобальта - а во внешних слоях звезды происходит чудовищной мощи ядерный взрыв, превосходящий по мощности обычную сверхновую примерно на полтора-два порядка.
И обратите внимание: никакого коллапса в центральной части не происходит - описанный процесс протекает так быстро, что коллапс просто не успевает начаться. От центральной части звезды остается огромное (массой в десять и более (по некоторым подсчетам - до тридцати) масс Солнца) раскаленное облако железа, никеля-56 и кобальта-56, которые тоже рано или поздно распадутся до железа. Ну, а внешние части разлетаются в результате чудовищного взрыва.
4. Но и это не все. Теоретически, у еще более массивных звезд мощность взрыва в описываемой стадии столь высока, что в их центральной части должен начаться синтез тяжелых и сверхтяжелых элементов (до урана и далее). Этот синтез потребляет много энергии, в результате чего температура центральных частей ядра падает - и они успевают сколлапсировать в черную дыру.
Так что, как ни парадоксально, судя по всему, после взрыва самых массивных звезд Вселенной тоже остается черная дыра, как и от взрыва куда менее массивных (но все равно, гигантских) звезд - и только в некотором промежутке масс звезды энергия ядра оказывается достаточной, чтобы избежать коллапса.
5. У быстровращающихся звезд коллапс ядра происходит в любом случае, при этом у гипергиганта вдоль оси вращения черной дыры выстреливаются джеты, формирующие длинный гамма-всплеск - механизм коллапсара.
Ну, и графики светимости при взрывах сверхновых разных типов. Шкала светимости по вертикали - логарифмическая, прирост на одну величину соответствует росту светимости в 2,512 раз..
