Вот что мы увидим, когда Бетельгейзе станет сверхновой

Ближайшая известная звезда, которая вскоре испытает коллапс ядра сверхновой, — это Бетельгейзе, всего в 640 световых годах от нас. Вот что мы будем наблюдать.

Звезды на ночном небе, как мы их обычно воспринимаем, обычно статичны и неизменны для наших глаз. Конечно, есть переменные звезды, которые то ярче, то тусклее, но большинство из них делают это периодически и регулярно, за исключением нескольких случаев. Одним из самых заметных исключений является Бетельгейзе, красный сверхгигант, который составляет одно из «плеч» созвездия Ориона. За последние пять лет не только ее яркость колебалась, но и ее потускнение в конце 2019 и начале 2020 года, за которым последовало странное поярчение в 2023 году, указывает на изменение в манере, которую никогда ранее не наблюдали живые люди.

Бетельгейзе обычно является 10-й по яркости звездой на нашем небе, но выпала из двадцатки во время своей самой слабой яркости в 2020 году и поднялась до 7-й по яркости в 2023 году. Как красный сверхгигант, это лишь вопрос времени, когда она подвергнется коллапсу ядра сверхновой, хотя никто не знает, как предсказать, когда это произойдет. Нет никаких научных оснований полагать, что Бетельгейзе сегодня находится в большей опасности стать сверхновой, чем в любой случайный день в течение следующих ~100 000 лет или около того, но многие из нас — включая очень многих профессиональных и любительских астрономов — надеются стать свидетелями первой сверхновой невооруженным глазом в нашей галактике с 1604 года. Хотя она не будет представлять для нас опасности, это будет захватывающее зрелище. Вот что мы сможем наблюдать отсюда, с Земли.

Прямо сейчас Бетельгейзе:

• абсолютно огромный,

• неправильной формы,

• и с неравномерной температурой поверхности.

Расположенная примерно в 640 световых годах от нас, она более чем на 2000 °C холоднее нашего Солнца, но также намного больше, примерно в 900 раз больше радиуса нашего Солнца и занимает объем примерно в 700 000 000 раз больше нашего Солнца. Если бы вы заменили наше Солнце на Бетельгейзе, она поглотила бы Меркурий, Венеру, Землю, Марс, пояс астероидов и даже Юпитер! Если наше Солнце представить в виде шарика размером в 1 сантиметр в диаметре, то Бетельгейзе станет шаром диаметром в 26 метров! Чтобы облететь вокруг Бетельгейзе на современном пассажирском самолете, потребовалось бы 3000 лет.

Но вокруг Бетельгейзе также происходят огромные, протяженные выбросы материала, который был выброшен за последние несколько десятков тысячелетий: материя и газ, которые простираются дальше, чем орбита Нептуна вокруг нашего Солнца. Со временем, по мере приближения неизбежной сверхновой, Бетельгейзе будет терять больше массы, продолжать расширяться, хаотично тускнеть и светиться и будет сжигать все более тяжелые элементы в своем ядре.

Даже когда она перейдет на более продвинутые стадии жизни в своем ядре, от сжигания углерода к затем неоновому и кислородному и, в конечном итоге, кремниевому синтезу, у нас не будет никаких непосредственно наблюдаемых сигнатур этих событий. Скорость синтеза ядра и выход энергии изменятся, но наше понимание того, как это влияет на фотосферу и хромосферу звезды — части, которые мы можем наблюдать — слишком слабо для того, чтобы мы могли сделать конкретные прогнозы. Энергетический спектр нейтрино, произведенных в ядре, единственный наблюдаемый, который, как мы знаем, изменится, станет важным только на стадии сжигания кремния, и даже тогда у нас будет максимум несколько дней, чтобы предсказать возможную сверхновую.

Но в какой-то критический момент в эволюционном процессе звезды горение кремния во внутреннем ядре достигнет завершения, и давление излучения глубоко внутри 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, затем начнет схлопываться.

Трудно представить масштаб этого: объект, общий вес которого составляет около 20 солнечных масс, распределенный по объему орбиты Юпитера, внутреннее ядро которого сопоставимо с размером Солнца (и массивнее его), внезапно начинает стремительно коллапсировать. Насколько бы большой ни была гравитационная сила, которая притягивала все к себе, она была уравновешена радиационным давлением, возникающим от ядерного синтеза внутри. Теперь этот синтез (и это внешнее давление) внезапно исчез, и коллапс продолжается беспрепятственно.

Внутренние атомные ядра — плотное скопление железа, никеля, кобальта и других подобных элементов — с силой сжимаются вместе, где они сливаются в огромный шар нейтронов. Слои над ними также разрушаются, но отскакивают от плотной протонейтронной звезды в ядре, что вызывает невероятный взрыв ядерного синтеза. По мере того, как слои накапливаются, они отскакивают, создавая волны синтеза, излучения и давления, которые каскадом проходят через звезду.

Эти реакции синтеза происходят в невероятно короткие сроки, всего около 10 секунд, и подавляющее большинство энергии уносится в форме нейтрино, которые почти никогда не взаимодействуют с материей. Оставшиеся частицы, несущие энергию, включая нейтроны, ядра, электроны и фотоны, даже при интенсивных количествах энергии, переданной им, должны иметь свой энергетический каскад и распространяться через все внешние слои звезды.

В результате этого нейтрино становятся первыми сигналами, которые вырываются, и первыми сигналами, которые достигают Земли. С энергиями, которые сверхновые сообщают этим частицам — порядка ~10–50 МэВ на квант энергии — нейтрино будут двигаться со скоростью, неотличимой от скорости света. Всякий раз, когда сверхновая действительно произойдет (или произойдет, что могло произойти в любое время с 14-го века и далее), именно нейтрино первыми прибудут на Землю, примерно через 640 лет.

В 1987 году сверхновая звезда на расстоянии 168 000 световых лет от нас создала сигнал чуть более 20 нейтрино на трех небольших нейтринных детекторах, которые работали в то время. Сегодня работает много различных нейтринных обсерваторий, гораздо больших и более чувствительных, чем те, которые были в нашем распоряжении около 37 лет назад, а Бетельгейзе, находящаяся всего в 640 световых годах от нас, могла бы послать сигнал примерно в 70 000 раз сильнее на Земле из-за своей непосредственной близости.

Теперь, в конце 2024 года, если Бетельгейзе станет сверхновой, наша первая верная сигнатура появится в виде высокоэнергетических нейтрино, заполонивших наши нейтринные детекторы по всему миру всплеском, охватывающим около 10–15 секунд. Буквально миллионы, возможно, даже десятки миллионов нейтрино будут одновременно уловлены этими обсерваториями. Несколько часов спустя, когда первые энергетические ряби, созданные этим катаклизмом, достигнут внешних слоев звезды, нас достигнет «прорыв» фотонов: быстрый всплеск, который чрезвычайно увеличит оптическую яркость Бетельгейзе.

Внезапно яркость Бетельгейзе резко возрастет примерно в 7000 раз по сравнению с ее прежним устойчивым значением. Она поднимется от одной из самых ярких звезд на ночном небе до яркости тонкого полумесяца Луны: примерно в 40 раз ярче планеты Венера. Эта пиковая яркость продлится всего несколько минут, прежде чем снова упадет до уровня, примерно в 5 раз ярче, чем была раньше, но затем начнется традиционный подъем сверхновой.

В течение примерно 10 дней яркость Бетельгейзе будет постепенно расти, в конечном итоге став примерно такой же яркой, как полная Луна. Ее яркость превзойдет все звезды и планеты примерно через час, достигнет яркости половины Луны через три дня и достигнет максимальной яркости примерно через 10 дней. Наблюдателям за небом по всему миру Бетельгейзе покажется даже ярче полной Луны, так как вместо того, чтобы распространяться на полградуса (как полная Луна), вся ее яркость будет сконцентрирована в одной, одиночной, насыщенной точке.

Как сверхновая типа II, свет от взорвавшейся Бетельгейзе будет оставаться ярким в течение довольно долгого времени, хотя внутри этих классов сверхновых существуют большие различия в том, насколько яркими они становятся и насколько яркими они остаются в течение длительных периодов времени. (Когда такое событие произойдет в нашей галактике в следующий раз, оно расскажет нам очень много о связи между звездой-прародительницей и взрывом сверхновой, который она производит!) Сверхновая, достигнув максимальной яркости, начнет медленно угасать в течение примерно месяца, становясь примерно такой же тусклой, как половина Луны, через 30 дней.

Однако в течение следующих двух месяцев ее яркость выйдет на плато, и только специализированные приборы и астрофотографы смогут обнаружить незначительное затемнение; типичный человеческий глаз не сможет различить изменение яркости за это время. Однако после этого периода яркость резко и внезапно упадет в течение следующего (четвертого) месяца с момента взрыва: к концу этого времени она снова станет едва ярче Венеры. И, наконец, в течение следующего года или двух она постепенно исчезнет, а остаток сверхновой будет виден только в телескопы.

На пике яркости Бетельгейзе будет светить примерно так же ярко, как 10 миллиардов Солнц, вместе взятых; через пару лет она станет слишком слабой, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом. Причина, по которой сверхновая остается такой яркой в течение первых трех месяцев или около того, заключается даже не в самом взрыве, а скорее в сочетании радиоактивных распадов (например, кобальта) и расширяющихся газов в остатке сверхновой.

В течение этих первых трех месяцев или около того Бетельгейзе будет настолько яркой, что ее будет хорошо видно и днем, и ночью; только после четвертого месяца или около того она станет только ночным объектом. И по мере того, как она начнет терять свою яркость, чтобы снова выглядеть как обычная звезда, протяженные структуры должны оставаться освещенными в телескоп в течение десятилетий, столетий и даже тысячелетий. Она станет самым близким остатком сверхновой в зафиксированной истории и останется захватывающим зрелищем (и астрономическим объектом изучения) для будущих поколений.

Когда бы Бетельгейзе (или похожий близкий красный сверхгигант) наконец-то не превратилась в сверхновую — а это может случиться сегодня вечером, в следующем десятилетии или через 100 000 лет — это станет самым заметным астрономическим событием в истории человечества, которое смогут увидеть почти все жители Земли. Первый сигнал, который придет, будет вовсе не визуальным, а придет в форме нейтрино, обычно неуловимой частицы, которая миллионами заполонит наши земные детекторы.

После этого, несколько часов спустя, свет сначала прибудет в виде пика, за которым последует постепенное усиление в течение чуть более недели, которое будет спадать поэтапно в течение следующих месяцев, прежде чем постепенно уменьшаться в течение многих лет. Остаток, который состоит из газообразных внешних слоев, освещенных в течение тысяч лет, продолжит радовать наших потомков в течение поколений. Мы понятия не имеем, когда начнется шоу, но, по крайней мере, мы знаем, чего искать и ожидать, когда оно действительно произойдет!

Фото взяты из открытых источников.