8 января на полугодовой конференции Американского астрономического общества были названы лауреаты Премии Чемблисса в области астрономической литературы (Chambliss Astronomical Writing Award) 2019 года. Этой наградой, учрежденной в 2006 году, отмечают авторов учебников и учебных пособий (преимущественно аспирантского уровня), имеющих особую ценность для преподавания науки о Вселенной. На этот раз премии удостоились профессор астрономии Техасского университета в Остине Джон Крейг Уилер (John Craig Wheeler) и заслуженный профессор Оклахомского университета Дэвид Бранч (David Branch) за монографию “Supernova Explosions” (Springer, 2017), в которой с исключительной полнотой и ясностью обсуждаются природа, причины и последствия вспышек сверхновых.
О последних результатах в той области, которая стала предметом премированной книги, с Крейгом Уилером побеседовал Алексей Левин, уже много лет знакомый с этим ученым.
— Дорогой Крейг, для начала примите все положенные поздравления!
— Спасибо. Могу признаться, что о такой монографии я стал задумываться лет сорок назад. В немалой степени это произошло под влиянием замечательной книги Иосифа Шкловского о сверхновых звездах, которая в конце 1960-х годов была издана в переводе на английский.
— Эта книга давно уже стала классикой. А каково, по вашему мнению, нынешнее положение дел в этой области астрономии?
— Ну, на такой вопрос коротко не ответить. Мы свыше полувека активно изучаем вспышки сверхновых звезд, однако многие проблемы пока остаются нерешенными. Мы ведь имеем дело с трехмерными вращающимися объектами, которые не обладают сферической симметрией — да и осевая не всегда гарантирована. Там очень велика роль турбулентности и сильных магнитных полей со сложной пространственно-временной структурой, а эти обстоятельства очень затрудняют численные симуляции. К тому же динамика взрывов сверхновых во многом зависит от процессов с участием нейтрино, которые тоже плохо поддаются точному обсчету.
— Так чего больше не хватает — теоретических конструкций или вычислительных ресурсов?
— В общем-то, тех и других. Мы постоянно улучшаем физические модели, изобретаем эффективные алгоритмы и, конечно, строим всё более совершенные компьютеры. Но если вы пытаетесь запихнуть в компьютер слишком много сложной физики, то скоро увидите, что его мощности не хватает — и тогда приходится начинать по новой.
Вот простой пример. Мы прекрасно знаем, что в результате гравитационного коллапса массивных звезд рождаются как нейтронные звезды, так и черные дыры. Еще лет двадцать назад считалось, что исход этих превращений практически полностью определяется начальной массой звезды. Если она ниже определенного порога, сверхновая оставляет после себя нейтронную звезду, если выше — черную дыру. Теперь мы полагаем, что ситуация вовсе не так однозначна. Нынешний консенсус состоит в том, что финальный результат гравитационного коллапса зависит от скорости вращения звезды, характера ее магнитного поля, концентрации элементов тяжелее гелия в ее составе, наличия или отсутствия звезды-компаньона и, скорее всего, каких-то дополнительных факторов. В общем, процессы гравитационного коллапса сейчас выглядят гораздо сложнее, чем в конце прошлого века.
То же самое можно сказать и о сверхновых иного рода. Напомню, что сверхновые подразделяют на группы в соответствии с оптическими спектрами. Эту классификацию 80 лет назад предложили астрономы из калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон, немецкие эмигранты Вальтер Бааде и Рудольф Минковский (к слову, племянник знаменитого математика). Излучение сверхновых типа I (SN I) не содержит линий испускания водорода, которые, напротив, имеются у сверхновых второго типа (SN II). Сверхновые первого типа включают семейство SN Ia, чьи спектры демонстрируют наличие ионизированного кремния. Хотя члены этого семейства по мощности практически не уступают сверхновым, рожденным гравитационным коллапсом, они взрываются совершенно иначе.
Много лет астрофизики приписывали эти взрывы только одному механизму. Считалось несомненным, что сверхновые типа Ia рождаются в звездных парах, состоящих из углеродно-кислородного белого карлика и обычной звезды, скорее всего, красного гиганта. Карлик своим притяжением вытягивает (на языке астрономов, аккрецирует) горячую плазму с поверхности соседки и в результате взрывается, не оставляя после себя ни нейтронной звезды, ни черной дыры.
Здесь, вероятно, стоит дать разъяснение. Согласно стандартному сценарию, вспышка сверхновой типа Ia происходит, когда приток аккрецированного вещества увеличивает массу карлика-акцептора до порога, после которого его вещество уже не может противостоять силам гравитации. Этот порог, который приблизительно равен 1,44 массы Солнца, называется пределом Чандрасекара. В результате карлик сжимается примерно в три раза, и температура его центральной зоны резко возрастает. Когда она достигает 400 млн К, начинается термоядерное горение углерода, которое дополнительно нагревает центр карлика и запускает интенсивный синтез более тяжелых элементов. Фронт термоядерного горения движется от ядра карлика к поверхности, скорее всего, сначала с дозвуковой, а потом и со сверхзвуковой скоростью. В результате карлик взрывается без остатка, разбрасывая новорожденную (если угодно, новосинтезированную) материю по окружающему пространству.
— А что, разве эта интерпретация неверна?
— Она вполне убедительна, но есть и альтернативный сценарий. Не исключено, что сверхновые типа Ia вспыхивают также в связанных системах, состоящих из двух белых карликов. При вращении вокруг общего центра инерции они излучают гравитационные волны, теряют кинетическую энергию, сближаются и в конце концов сталкиваются и сливаются. Результаты таких слияний описываются различными сценариями, которые было бы слишком долго перечислять. Важно, что некоторые из них приводят к взрывам сверхновых типа Ia — иногда с задержкой на тысячи и десятки тысяч лет, а иногда практически сразу после столкновения. Споры на эту тему ведутся уже лет пятнадцать, и конца им что-то не видно. Я больше доверяю стандартной модели, которая, как мне кажется, лучше объясняет спектральные характеристики излучения сверхновых. Впрочем, время покажет.
— Можно ли сказать, что сейчас процессы, которые приводят к рождению сверхновых, выглядят куда сложнее, чем, скажем, тридцать лет назад?
— Так это же естественно. Тогда в нашем распоряжении был куда более скромный массив данных наблюдений. Теперь нам известно множество нюансов взрывов сверхновых различных типов, о которых в то время мы просто не подозревали. С другой стороны, три десятилетия назад мы умели обсчитывать только сферически симметричные модели таких взрывов. Из общих соображений было понятно, что это слишком сильная идеализация, но выйти за ее границы мы не могли. Сейчас мы уже в состоянии хотя бы подступиться к разработке реалистичных трехмерных сценариев вспышек сверхновых. Для этого есть и теоретический аппарат, и компьютерные ресурсы. И это очень важно.
С 2015 года в ряде научных центров работают над трехмерными динамическими симуляциями коллапсирующих сверхновых. Уже получены результаты, которые демонстрируют весьма сложную картину возникновения и распространения ударных волн, играющих ключевую роль в процессах гравитационного коллапса. Однако пока что подобные симуляции выполняются лишь при значительном упрощении базовых моделей и требуют месяцев работы суперкомпьютеров. Чтобы сделать их более реалистичными, необходимо стократно увеличить мощность компьютеров. Сейчас считается, что такие системы могут появиться на свет не раньше, чем через десять лет.
— Нельзя ли привести пару примеров таких нюансов?
— Конечно. Скажем, теперь мы знаем, что мощность сверхновых варьирует сильнее, чем считалось в конце прошлого века. В частности, выяснилось, что некоторые сверхновые не только обнаруживают несколько меньшую яркость при взрыве по сравнению с типичными показателями, но также тускнеют с увеличенной скоростью. Это позволяет связать динамику световых кривых сверхновых с их первоначальной светимостью. Выявление таких связей дает возможность улучшить калибровку яркости взрывов самых далеких сверхновых и тем самым надежней измерять те дистанции, с которых их свет доходит до Солнечной системы. А это, в свою очередь, помогает лучше отслеживать скорость расширения Вселенной.
Второй пример — открытие нового класса аномально ярких сверхновых. К нему относят сверхновые с первоначальной мощностью не менее 1044 эрг/с. В названии этого семейства приставка «сверх» фигурирует дважды — SLSN, superluminous supernovae. По всей вероятности, первый взрыв такой сверхновой наблюдал немецкий астроном Макс Вольф почти сто лет назад, в конце 1920 года. Однако признание подобных вспышек в качестве самостоятельной разновидности сверхновых состоялось только в нашем столетии.
Эти вспышки — довольно редкие «звери» в зоопарке взрывающихся звезд. Точной статистики еще нет, но, судя по всему, на каждые десять тысяч коллапсирующих сверхновых в среднем приходится не более одной звезды этого семейства. Сейчас их уже известно куда больше сотни, и это очень горячая область современной астрономии и астрофизики. Кстати, большую роль в этих исследованиях сыграл мой бывший аспирант Роберт Квимби (Robert Quimby), который сейчас возглавляет обсерваторию Маунт Лагуна (Mount Laguna Observatory) при Университете штата Калифорния в Сан-Диего (San Diego State University).
Природа этих сверхъярких вспышек пока остается загадкой. Многие из них имеют в своем излучении линии водорода, однако некоторые их лишены. Так что среди них есть сверхновые обоих главных типов, SLSN I и SLSN II. Для них придумано несколько моделей, однако все они вызывают вопросы. Я сам пока воздерживаюсь от окончательных суждений. В нынешней ситуации стоит быть осторожным.
— Тогда последний вопрос. Около полувека назад появилась теоретическая модель так называемых сверхновых с парной нестабильностью, которая как раз и предсказывала сверхмощные взрывы. Каков ее нынешний статус?
Эта модель описывает финальную судьбу коллапсирующих звезд, чьи начальные массы лежат в диапазоне 140–260 масс Солнца. Они очень быстро сжигают сначала водород с гелием, а затем и углерод. После сгорания углерода у них образуются по преимуществу кислородные ядра, чья масса превышает 60 солнечных масс, а температура зашкаливает за миллиард кельвинов. Там происходит интенсивная генерация жестких гамма-квантов, которые рождают электронно-позитронные пары, а возможно, и более тяжелые частицы и античастицы. Из-за уменьшения плотности гамма-излучения давление в ядре снижается, и внешние слои звезды падают в центральную область. Эта имплозия еще больше разогревает звездные недра и запускает термоядерные реакции, в которых синтезируется целый ряд элементов вплоть до никеля, кобальта и железа. Давление в перегретом ядре катастрофически возрастает, и ядро взрывается, не успев сколлапсировать в черную дыру. Так что вспышка сверхновой с парной нестабильностью по последствиям напоминает взрывы сверхновых типа Ia — с той разницей, что ее яркость на один-два порядка превосходит типичную яркость этих сверхновых.
— Фактически надо говорить о целом семействе моделей. Они основаны на общей теоретической концепции превращения жесткого гамма-излучения в электронно-позитронные пары. Она, на самом деле, сформулирована давно, но до сих пор вызывает немалый интерес. Мы хорошо понимаем, как она работает, но пока только в теории. До сих пор нет убедительных доказательств реальности именно тех процессов ядерного синтеза, которые предсказаны моделями сверхновых с парной нестабильностью.
Но, конечно, крест на них ставить рано. Они лучше всего объясняют судьбу сверхмассивных водородно-гелиевых звезд, которые были первыми светилами Вселенной. Так что не исключено, что эти модели удастся подтвердить с помощью новой аппаратуры, которая сможет собрать куда больше информации о ранней истории Вселенной, чем мы имеем сегодня. В этой связи большие надежды возлагают на космический телескоп «Джеймс Вебб» (James Webb Telescope), который должны же когда-нибудь вывести на орбиту. Он сможет заглянуть в эпоху начального звездообразования, отделенную от Большого взрыва всего лишь четырьмя-пятью сотнями миллионов лет. Не сомневаюсь, что тогда мы узнаем много интересного.
Астрономы и космологи и в самом деле многого ожидают от этого гигантского телескопа с апертурой 6,5 м. Он будет вести наблюдения на участке от 0,6 мкм до 28,5 мкм (то есть от оранжевого участка видимого спектра до средней инфракрасной зоны) и станет преемником инфракрасного космического телескопа «Спитцер» (Spitzer Space Telescope) с диаметром главного зеркала 85 см, который был запущен с мыса Канаверал 25 августа 2003 года и всё еще успешно работает. Разрешающая способность нового телескопа на порядок превзойдет соответствующий показатель «Спитцера». Первоначально предполагалось, что он обойдется в 1,6 млрд долл. и будет отправлен в точку Лагранжа L2 системы Солнце — Земля в 2011 году. Однако в марте 2017 года NASA сообщило, что запуск состоится не ранее мая 2019 года, а в июле 2018 года эта дата была сдвинута на март 2021 года. По сегодняшним оценкам, стоимость этого совместного проекта NASA, ESA и Канадского космического агенства приблизится к 10 миллиардам и превзойдет цену Большого адронного коллайдера.
— Ну что же, будем надеяться, что ждать осталось не так уж долго. И огромное спасибо за беседу!
Крейг Уилер
Беседовал Алексей Левин