Найден способ изучать образование сверхновых звёзд в лаборатории
В российском Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) совместно с учёными из других организаций предложили новый лабораторный метод моделирования сверхновых звёзд. Он основан на исследовании взрывного сжатия – процесса, который напоминает явления, происходящие в космическом пространстве. Результат этой работы был опубликован в журнале Physical Review E.
Термин «сверхновая» неподготовленных людей вводит в заблуждение. Это не новая звезда, как можно было бы подумать, а взорвавшаяся старая. Когда срок существования звезды подходит к концу, термоядерное топливо в ней заканчивается. Звезда взрывается, при этом образуется очень сильное свечение, и с Земли кажется, что в небе появилась новая звезда; сияние одной взорвавшейся звезды может быть сравнимо со свечением целой галактики. Название термина отражает историю исследования таких объектов: в старину учёные действительно считали такие объекты зародившимися новыми звёздами, и лишь впоследствии была установлена их настоящая природа. При взрыве внешние слои звезды выбрасываются в пространство, за счёт чего образуется туманность. Ядро звезды, имея довольно большую массу, превращается в объект с чудовищной плотностью и гравитацией – такой объект называют чёрной дырой; на месте ядра также может образоваться нейтронная звезда.
Для изучения процесса взрыва сверхновых звёзд предлагаются лабораторные модели. Одну из них и разработали российские учёные. Для этого они провели эксперименты по взрывному сжатию дейтериевой плазмы. Эти опыты, кстати, были проведены в Сарове – российском наукограде, в котором располагается Федеральный ядерный центр нашей страны. Вещество, взятое в количестве нескольких долей килограмма, «обрабатывалось» большим количеством ударных волн огромной силы, в результате чего сжалось в 600 раз. С помощью сложного оборудования удалось зарегистрировать все стадии этого процесса. Сжатие плазмы останавливалось, когда её плотность становилась настолько большой, что материя сопротивлялась дальнейшему сжатию; при последующей бомбардировке она разлеталась.
У предложенного метода есть альтернативные – например, лазерное сжатие. Но там количество исследуемой материи не превышает микрограммов, а время исследования измеряется микросекундами. В таких условиях проследить за всеми стадиями процесса не представляется возможным. Поэтому у предложенного способа имеются явные преимущества.
Исследователи обнаружили, что поведение вещества в эксперименте напоминает судьбу изжившей свой срок звезды, точнее – её ядра. Оно также сжимается до критических размеров, пока под действием собственного тяготения не разрушается и не выбрасывает собственное вещество наружу. Катастрофическое сжатие ядра звезды именуется в науке гравитационным коллапсом. Вещество, из которого состояло ядро, движется при этом в режиме свободного падения, и его скорость достигает десяти процентов от скорости света. Вещество ядра, к слову, состоит в основном из железа. При этом когда плотность вещества в звёздном ядре достигает критической величины, то атомы, которые прежде притягивались, начинают отталкиваться; это фундаментальный закон природы – атомы на больших расстояниях притягиваются, а на микроскопически маленьких – отталкиваются. Это и обусловливает появление ударной волны, которое и вызывает распад ядра и его взрыв.
Исследователи давно пытались воспроизвести взрыв сверхновой в лаборатории, однако модель «отказывалась» взрываться или же взрыв получался слишком слабым. Так вела себя даже модель, созданная на компьютере. Это означает, что в создаваемых моделях исследователи упускали какие-то важные параметры.
После того, как за дело взялись учёные из ИТЭФ, многое стало проясняться. Они обнаружили, что взрывы сверхновых, происходящие в далёком космосе, имеют много сходства с взрывными экспериментами, производимыми на Земле. В обоих случаях вещество устремляется в центр своего расположения, катастрофически уплотняется и затем испытывает сильнейшее отталкивание, приводящее к внезапному взрыву и рассеянию этого самого вещества во внешнем пространстве. Процессы, конечно, различаются во многих параметрах – составе вещества, температуре, плотности и др., но общий концепт этих явлений, можно сказать, один и тот же. Таким образом, человеческая наука реализует свою основную идею: изучать явления, которые невозможно непосредственно наблюдать, на доступных аналогиях, используя знание о том, что сущность целой группы процессов в природе едина. Действительно, мы не можем видеть невооружённым глазом и в непосредственной близости от сверхновой звезды то, что происходит в её недрах; но у нас есть определённые данные и математический аппарат, позволяющие создать адекватную модель данных процессов в лаборатории на Земле. При этом исследователь понимает, что это всего лишь модель, и может правильно оценить точность своих наблюдений: что именно можно считать достоверным, а что – нельзя.
