О Бетельгейзе и немного о звездах

Часики-то тикают
Почему Бетельгейзе тускнеет и скоро ли она взорвется?

Одна из ярчайших звезд северного неба — Бетельгейзе — в последние несколько недель непрерывно тускнеет, и сейчас ее яркость упала до минимального уровня за последние полвека, то есть за всю историю наблюдений с помощью электронных приемников излучения. Означает ли это, что вскоре эта звезда взорвется как сверхновая, и что будет с Землей, если это произойдет, редакция N + 1 спросила у астронома Сергея Ламзина, ведущего научного сотрудника Астрономического института имени Штернберга (ГАИШ МГУ).

Долгий путь в правый верхний угол
Звезды — относительно простые астрономические объекты. Это, грубо говоря, гигантские шары из водорода с примесью гелия и некоторого количества более тяжелых элементов, где идут термоядерные реакции. Как именно они будут себя вести и какой будет их конечная судьба, зависит от массы.

Если масса звезды меньше десяти масс Солнца, ее жизнь кончается более или менее спокойно. Она превращается в красный гигант (с Солнцем это произойдет примерно через пять миллиардов лет), то есть раздувается, сбрасывает внешнюю оболочку, а внутреннее ядро, наоборот, сжимается, превращается в белый карлик. Это спокойный процесс, не сопровождаемый катаклизмами.

Звезды более массивные, чем десять масс Солнца, погибают в результате катастрофического взрыва и превращаются в нейтронную звезду или черную дыру, либо вообще перестают существовать как единый объект.

Жизнь звезды — это в основном цепочка смены типов термоядерных реакций, точнее, смены основного типа горючего. На первой стадии, когда звезда формируется из газового облака, температура в ее ядре поднимается до нескольких миллионов градусов, и начинаются реакции превращения водорода в гелий.

Водород — самый обильный элемент во Вселенной и как ядерное горючее — самое калорийное. Пока горит водород, звезда находится на основном этапе своей жизни, занимающем примерно 90 процентов времени ее существования. Его еще называют этапом главной последовательности — поскольку звезды на этой стадии жизни образуют характерную диагональную линию на диаграмме Герцшпрунга-Рассела, она же «диаграмма спектр-светимость».

Положение Бетельгейзе на диаграмме «цвет — светимость», подготовленной по данным каталогов Hipparcos и Gliese

via

Когда водород выгорает, звезды сходят с главной последовательности, и их дальнейшая судьба зависит от массы. У звезд с массой от 0,8 до 8-10 масс Солнца после выгорания водорода в ядре это самое ядро начинает сжиматься и нагревается до температуры в 100 миллионов градусов. Тогда в нем начинается реакция превращения гелия в углерод — реакция слияния трех альфа-частиц в ядро углерода.

В этом случае внешняя оболочка звезды раздувается и появляется красный гигант — это ветвь вправо в середине главной последовательности. Эта стадия проходит примерно в 10 раз быстрее, чем стадия горения водорода, то есть этот этап занимает 10 процентов времени жизни звезды.

Затем, после выгорания гелия, сверхплотное ядро превращается в белый карлик, а оболочка расширяется, сбрасывается и улетает. У маломассивных звезд не хватает гравитации, чтобы еще сильнее сжать центральную область и нагреть ее до температуры в миллиарды градусов, при которой загорается углерод.

Звезды с массой более 8-10 масс Солнца после выгорания водорода тоже сбрасывают оболочку, превращаясь в красные сверхгиганты (это верхний правый угол диаграммы). Когда выгорает и гелий, температура в их центре достигает нескольких миллиардов градусов и начинается реакция слияния ядер углерода с образованием магния, неона и кислорода.

Затем по цепочке начинаются реакции с участием этих элементов, пока в центре звезды не образуются железное ядро. Железо — это «ядерная зола», в том смысле, что если до железа слияния ядер идут с выделением энергии, то после железа этот процесс, наоборот, требует поглощения энергии.

Процесс выгорания углеродного ядра занимает всего несколько тысяч лет. Когда у звезды накопится достаточно много железа в центральной области, ядерные реакции уже не могут поддерживать ее светимость, звезда теряет устойчивость и гравитация «схлопывает» звезду.

В результате центральная область сжимается и превращается либо в нейтронную звезду с плотностью миллиард тонн в кубическом сантиметре, либо в черную дыру. Области, которые над ней находятся, падают вниз, сталкиваются, отбрасываются, образуется ударная волна, которая разбрасывает вышележащие слои звезды в окружающее пространство.

Происходит взрыв сверхновой. Эта судьба ждет и Бетельгейзе.

Что мы знаем о звезде
Бетельгейзе, она же альфа Ориона — одна из ярчайших звезд северного неба. Найти ее на небе очень легко — она находится в верхнем левом углу созвездия Ориона, очень хорошо видимое как раз в эти дни. На широте Москвы Орион восходит над горизонтом примерно в пять часов вечера.

Масса звезды составляет примерно 15 ± 3 массы Солнца, а расстояние до нее оценивается примерно в 600-700 световых лет. Это одна из немногих звезд, у которых мы можем различить видимый диск. Еще в 1921 году Альберт Майкельсон с помощью своего интерферометра смог определить ее угловой размер — около 0,047 секунды.

Отчасти из-за яркости звезды и того, что она не наблюдается как точечный объект, мы не можем с высокой точностью определить расстояние до нее, а значит, не можем и точно определить светимость и массу. Все это не дает нам установить, на какой стадии своей эволюции находится Бетельгейзе.

Мы можем сказать, что ее возраст — около восьми миллионов лет, а диаметр примерно в тысячу-полторы раз больше Солнца. Если бы Бетельгейзе была центром Солнечной системы, то внутри такой большой звезды оказалась бы орбита Марса, а то и орбита Юпитера — в зависимости от того, как мы оцениваем расстояние до нее.


Изображение диска Бетельгейзе, полученное радиотелескопом ALMA

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O’Gorman/P. Kervella

В недрах Бетельгейзе на данный момент уже прогорели весь водород и весь гелий, и примерно несколько тысяч лет назад она перешла на стадию горения углерода и превращения его в магний. Есть данные, что в китайских хрониках Бетельгейзе называли не красной, а желтой звездой — возможно, тогда она действительно была еще на предыдущей стадии эволюции.
Все последующие, постуглеродные стадии, гораздо более короткие, продолжаются сотни лет. Понять, на какой стадии Бетельгейзе находится сейчас и сколько ей осталось дожигать свое топливо, пока в центре не образуется железное ядро, достаточно сложно — помимо массы, это зависит от многих других деталей, например от того, как звезда вращается и есть ли у нее магнитное поле.

Но понятно, что в течение нескольких тысяч лет она сожжет весь углерод, а следующие стадии будут еще короче. Возможно, что этот этап уже прошел, может быть, у нее уже начал гореть неон. Достаточно точно можно сказать, что десять тысяч лет — это максимальная продолжительность, оставшаяся Бетельгейзе до стадии железного ядра и взрыва.

Изображения видимых дисков некоторых близких звезд по сравнению с видимым диском Плутона

ESO/K. Ohnaka (Antares); Alma (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O'Gorman/P. Kervella (Betelgeuse); ESO (R Doradus); Alma (ESO/NAOJ/NRAO)/W. Vlemmings (W Hydrae)

Чего он моргает?
Колебания блеска Бетельгейзе были замечены еще Уильямом Гершелем в XIX веке, когда у астрономов не было других способов оценить яркость звезды кроме глазомера. Сейчас для оценки звездной величины используются фотометрические приборы. В соответствии с данными AAVSO, американской организации, объединяющей исследователей переменных звезд, яркость Бетельгейзе колеблется примерно на полторы звездных величины.

Однако в этом декабре яркость звезды достигла «дна» — минимального уровня за всю историю наблюдений с помощью электронных приемников излучения. Согласно данным, опубликованным на сайте астрономических телеграмм, видимая звездная величина Бетельгейзе снизилась до значения 1,125.

Колебания яркости Бетельгейзе за последние полвека. Сейчас яркость упала до рекордно низких значений

American Association of Variable Star Observers (AAVSO)

Колебания яркости — это одна из особенностей красных сверхгигантов. Звезда находится под действием двух сил: с одной стороны, гравитация стремится сжать ее в точку, а с другой стороны, газовое давление и излучение заставляют ее расширяться во все стороны. У красных сверхгигантов нарушена устойчивость, они колеблются вокруг положения равновесия.

Описание механизма этих колебаний, впервые предложенное Эддингтоном, а потом «доведенное до ума» советским астрономом Сергеем Жевакиным, примерно таково: под действием излучения из центра звезды ее внешние оболочки нагреваются, начинают расширяться, становятся более разреженными, более прозрачными и за счет этого начинают остывать. По мере падения температуры и давления газ начинает вновь стягивать гравитация, он становится менее прозрачным, излучение начинает нагревать его сильнее, и цикл повторяется.

Есть звезды, пульсирующие как часы, — цефеиды, у них очень точный период, но звезды на поздних стадиях эволюции, такие как Бетельгейзе, пульсируют нерегулярно — их точность «сбивается» из-за наличия конвекции во внешних слоях звезды, которая переносит часть тепла, мешая излучению регулировать процесс колебаний. Во время одного цикла, продолжающегося от 150 до 400 дней, радиус Бетельгейзе может существенно меняться.

Однако суммарное энерговыделение звезды во время пульсаций меняется не слишком сильно. Дело в том, что у относительно холодных звезд температура внешней оболочки составляет не более 3,5 тысячи градусов, поэтому бóльшую часть энергии Бетельгейзе излучает в инфракрасном диапазоне. И если в видимом диапазоне светимость звезды меняется существенно, то суммарная светимость во всем диапазоне меняется примерно на проценты. Поэтому нельзя говорить, что теперешние снижение яркости может помочь спрогнозировать скорый взрыв звезды.

Внешние слои сверхгиганта до последнего момента «не знают» о том, что происходит в ядре. Все процессы, возбуждающие колебания звезд, похожих на Бетельгейзе, происходят в их внешних слоях. Иными словами, пульсации внешних слоев не отражают процессы, происходящие в центральных областях звезды, поэтому то, что у Бетельгейзе сейчас более глубокий минимум, чем прежде, не говорит нам о том, что звезда скоро взорвется.

Прилетит вдруг нейтрино
Еще 30-40 лет назад мы узнавали о взрыве сверхновой только в момент самого взрыва, но теперь мы сможем узнать о нем заранее — за несколько дней. Мы получим нейтринный сигнал.

В ходе ядерных реакций в центре любой звезды образуется гамма-квант и нейтрино. Гамма-квант, пройдя примерно одну десятую миллиметра, поглощается, потом переизлучается и добирается до поверхности звезды и вылетает «наружу» примерно через 10 миллионов лет. Поэтому с помощью электромагнитных волн узнать, что происходит в центре, просто невозможно.

А нейтрино проходят сквозь звезду без всякого взаимодействия, они летят примерно со скоростью света, а значит, здесь, на Земле, через восемь минут мы можем детектировать нейтрино, родившиеся в центре Солнца.

В момент, когда Бетельгейзе начнет взрываться как сверхновая, — то есть в момент, когда железное ядро в ее центре размером примерно с Землю будет превращаться в нейтронную звезду диаметром с московское Третье кольцо, — температура в ее центре поднимается до 10 миллиардов градусов. Эта колоссальная энергия уносится в основном именно нейтрино.

Нейтрино свободно пронизывают звезду и улетают. А ударная волна в веществе, отразившаяся от нейтронной звезды, будет примерно неделю идти до поверхностных слоев звезды. И только когда она дойдет до поверхности звезды, мы увидим оптическую вспышку.

Именно этот сценарий реализовался при вспышке сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом облаке. Тогда нейтринные детекторы зафиксировали примерно 20 нейтрино, пришедшие примерно за несколько часов до оптической вспышки. Бетельгейзе примерно в 100 раз ближе к нам, значит, поток нейтрино от ее взрыва будет в десятки тысяч раз больше и наши современные детекторы их точно зарегистрируют.

Когда Бетельгейзе взорвется, ее блеск увеличится до -9 звездной величины, то есть по яркости она будет сопоставима с Луной в первой четверти. Вероятно ее будет видно и днем. Однако никакой угрозы для жизни на Земле эта вспышка не несет.

В результате взрыва внешние слои звезды приобретают скорость около 3 тысяч километров в секунду, они будут сталкиваться с веществом, выброшенным раньше — с веществом звездного ветра, которое удаляется от звезды со скоростью несколько километров в секунду. Поэтому сброшенная взрывом оболочка вскоре догонит ветер, возникнет еще одна ударная волна, газ нагреется, возникнет рентгеновское и гамма-излучение.

Спутники это излучение зафиксируют, и на некоторое время Бетельгейзе станет самым ярким рентгеновским источником на небе, но все равно он будет на порядки слабее рентгеновского излучения Солнца.

Нам это ничем не грозит. Какие-то серьезные последствия для нас могли бы наступить, если бы на месте Бетельгейзе находилась звезда с массой порядка сотен масс Солнца, подобная тем звездам, взрывы которых в далеких галактиках мы наблюдаем как длинные гамма-всплески.

При взрыве звезд с массой в сотни масс Солнца железное ядро даже не успевает образоваться — звезда нагревается до такой температуры, что из фотонов начинают рождаться электрон-позитронные пары. Энергия уходит, давление падает, звезда начинает сжиматься. А поскольку основная масса звезды не сгорела, «топлива» много, то может произойти термоядерный взрыв, который просто разнесет все.

Но этот сценарий работает для сферически симметричной звезды. Если звезда вращается, то, когда центральная область начнет сжиматься, вокруг нее образуется диск и два выброса — релятивистских джета, потока вещества с околосветовой скоростью, — которые прошивают звезду насквозь. Именно они продуцируют сверхмощное рентгеновское и гамма-излучение, и если такое событие произойдет рядом, а наша планета окажется на этом луче, то будет плохо.

По счастью, в окрестностях Земли и в нашей половине Галактики таких звезд нет.


Сергей Ламзин

Все, можно пинать.