Изучение влияние взрыва сверхновых звёзд на Землю

Изучение влияние взрыва сверхновых звёзд на Землю.

Цель работы: изучить возможное влияние взрыва сверхновых звезд на Землю.

1.  Основные понятия о сверхновых.

Сверхновые звёзды – процесс взрыва существующих звёзд (массивных сверхгигантов или белых карликов, достигших предела массы). Остаток взрыва – нейтронная звезда или чёрная дыра. После взрыва сверхновых образуется туманность. Сверхновые бывают первого и второго типа.

В основе первого типа лежит процесс термоядерного синтеза в углеродно-кислородном остатке звёзд солнечного типа (белом карлике). Масса этого карлика должна быть близкой к пределу Чандрасекара. Предел Чандрасекара – это максимальная масса, при которой возможно существование белого карлика, равная 1,4 масс Солнца. Если массивный белый карлик имеет звезду-компаньона, которая выходит за пределы своей полости Роша или обладает сильным звёздным ветром, то начинается перетекание вещества со звезды на карлик. Происходит аккреция вещества на карлик, часть которого падает на него, увеличивая массу карлика. Постепенно температура белого карлика растёт, начинаются термоядерные реакции с участием углерода и кислорода, масса приближается к предельной. Лёгкие продукты термоядерного горения порождают конвекцию, которая способствует накоплению энергии. Как только масса достигнет предела Чандрасекара, белый карлик теряет устойчивость и коллапсирует. При этом высвобождается колоссальная энергия, которая приводит к мощнейшему взрыву. Так как масса белых карликов, порождающих сверхновые первого типа, ограничена пределом Чандрасекара, то энергия, выделяющаяся при взрыве, постоянна и примерно равно 1051 эрг. Это свойство позволяет измерять расстояние до сверхновых практически без погрешностей.

Сверхновые второго типа – это процесс гибели массивных звёзд массой более 9 солнечных. В процессе термоядерного синтеза более тяжёлых элементов ядро звезды сжимается, а температура увеличивается. Процесс термоядерного синтеза завершается железом, так как синтез более тяжёлых элементов не даёт выделение энергии. Когда масса железного ядра достигает 1,4 солнечной (предел Чандрасекара), начинается его коллапс под действием силы гравитации, не скомпенсированной силой, источником которой является термоядерный синтез. Протоны начинают соединяться с электронами, преобразуясь в нейтроны. При этом образуется поток нейтрино, уносящий энергию. Ядро коллапсирует настолько быстро, что образуется зона разрежения. Вслед за этим на ядро падают внешние слои. Они при этом разогреваются и начинают гореть. Выделившаяся при этом энергия вызывает разлетание оболочки звезды с огромной скоростью. С Земли это космическое «шоу» наблюдается как увеличение яркости звезды на 9-12 звёздных величин (зависит от массы звезды). Ядро после взрыва становится нейтронной звездой или чёрной дырой. Взрывы гипергигантов – самых массивных звёзд Вселенной – именуются гиперновыми, и при этом образуются массивные чёрные дыры. Энергия взрыва сверхновых второго типа достигает 1050-1052 эрг, гиперновых – до 1054.

2.  Ближайшие кандидаты в сверхновые.

Бетельгейзе – наиболее вероятный кандидат в сверхновые второго типа. За последние 15 лет звезда потеряла 10% массы, что может означать близость взрыва. Звезда массивна, и взрыв будет зрелищным – яркость может составить -13 звёздных величин, что сравнимо с полнолунием. Звезда удалена от Земли на 640 св. лет, и до Земли может достичь лишь мизерная доля излучения, которая никак не повлияет на землю. Но если один из полюсов звезды указывает на Землю, то излучение будет в разы больше, и на Земле будут наблюдаться полярные сияния и магнитные бури. Также могут взорваться звёзды Антарес, Мю Цефея, VY Большого Пса (это самый большой по размеру гипергигант, имеющий радиус в 2000 солнечных), Эта Киля (одна из самых ярких по абсолютной яркости), Ро Кассиопеи.

IK Пегаса – двойная система из звезды главной последовательности и массивного белого карлика. Когда главная звезда начнет превращаться в гиганта, вещество с неё начнёт перетекать на карлик, что приведёт к увеличению его массы и взрыву. Но в ближайшие 10 млн лет главная звезда не сойдет с главной последовательности, и пара успеет удалиться на безопасное расстояние. Сейчас до звезды 150 световых лет, и вспышка сверхновой с этого расстояния была бы видно как яркий диск, заметный днём и имеющий яркость -10 — -12 звёздных величин, т. е. как полная Луна. Так же близко расположены звёзды U Скорпиона (расстояние 45640 св. лет, вспышка сверхновой на таком расстоянии не повлияет на Землю), T Компаса (расстояние 3300 св. лет, вспышка маловероятна в обозримом будущем), RS Змееносца(расстояние 5000 св. лет, вспышка сверхновой маловероятна), которые могут вспыхнуть как сверхновые первого типа.

3.  Расчёты яркости и температурного влияния на Землю, выводы.

3.1.  Расчёт яркости взрыва звезды бетельгейзе как сверхновой второго типа.

Известно, что звезда Бетельгейзе может взорваться как сверхновая второго типа в ближайшее по астрономическим меркам время. Выполним расчёт яркости взрыва и тепловое влияние на Землю.

Известно, что абсолютная звёздная величина сверхновых второго типа, образующихся из звёзд массой 15 масс Солнца и выше, к которым относится Бетельгейзе, равна -18m … -20m. Абсолютная звёздная величина Солнца равна +4.7m.

Абсолютная звёздная величина – это видимая звёздная величина объекта, если бы он был расположен на расстоянии 10 парсек или 32,6 св. лет.

Расстояние до звезды Бетельгейзе равно 640 св. лет, до Солнца – 8 св. мин. Находим, во сколько раз альфа Ориона дальше Солнца.

S/s= 640св. лет : 8св. мин. = 233600 св. суток : 0,005556 св. суток ≈ 42000000 раз.

Так как яркость напрямую зависит от площади видимой поверхности звезды, то, если поместить Солнце на место Бетельгейзе, его яркость будет меньше в квадрат разницы их расстояний, т. е. L/l=42000000 ≈ 2,538. Значит, Солнце, помещённое на место Бетельгейзе, будет менее ярким на 38 звёздных величин, чем реальное Солнце. И его звёздная величина будет равна -26,7m + 38m = 11,3m.

Зная, что абсолютная яркость Солнца равна 4,7m, а сверхновой, которой может стать альфа Ориона - -18m…-20m, то яркость Солнца и сверхновой отличаются на 22.7 – 24.7 величин. Так как яркость Солнца, помещённого на место Бетельгейзе, равна 11,3m, то можно высчитать видимую яркость возможного взрыва:

Минимальная яркость равна 11,3m - 22,7m= -11,4m

Максимальная яркость равна 11,3m - 24,7m = -13,4m

То есть, яркость вспышки сопоставима с яркостью полной Луны (-12,7m)

3.2.  Расчёт температурного влияния на землю.

Проведём расчёт температурного влияния вспышки на Землю. Тепловое излучение прямо пропорционально яркости обратно пропорционально квадрату расстояния. Известно, что средняя температура Земли примерно равна 300К. Т. к. расстояние до Бетельгейзе в 4200000 раза больше, чем до Солнца, а яркость вспышки на 24,7m, т. е. в 6,7 млрд. раз то и температурное влияние вспышки Q1 = (300*6700000000)/(42000000*42000000) = 0,00114о. Т. е., если произойдёт взрыв сверхновой Бетельгейзе, то средняя температура поверхности Земли поднимется на 0,00114о, при том, что яркость взрыва будет максимально возможная. Обычно сверхновые пребывают в стадии максимальной яркости не более 15-20 дней. Повышение температуры на столь малое значение на очень малый промежуток времени земляне не почувствуют.

Из приведённых вычислений можно сделать вывод: вспышка звезды Бетельгейзе будет представлять очень зрелищное явление, но на температуру нашей планеты это повлияет настолько незначительно, что земляне изменение температуры на столь малое значение не почувствуют.

3.3.  Расчёт яркости взрыва звезды ik пегаса как сверхновой первого типа.

Известно, что абсолютная яркость взрыва сверхновых первого типа из-за одинаковой массы взрывающихся звёзд одинакова и составляет -19,5m. (яркость вспышки в 4,267 млрд раз больше солнечной). Если бы звезда Бетельгейзе при взрыве приобрела бы эту яркость, то видимая её яркость составила бы 11,3m – (4,7m+19,5m)=-12,9m. Но IK Пегаса ближе Бетельгейзе в 640/150 = 4,26 раза (звезда дальше Солнца в 9860000раз), и, значит, видимая яркость взрыва IK Пегаса больше в 4,262 раза, то есть на 3,1 звёздную величину. То есть, видимая яркость взрыва равна (-12,9m-3,1m) = -16m. Вычислим температурное влияние на Землю: Q2 = (300*4267000000)/(9860000*9860000) = 0,013о. Это более, чем в 10 раз больше температурного влияния сверхновой Бетельгейзе, но всё же это значение очень мало, чтобы оказать влияние на земную температуру.

Но, чтобы белый карлик системы IK Пегаса взорвался, необходимо, чтобы вещество с главной звезды перетекало на него, что возможно только если главная звезда сойдёт с главной последовательности и расширится до красного гиганта, что в ближайшие 20 млн лет не произойдёт. Звездная система удаляется от Солнца со скоростью более 20 км/с. Через 20 млн лет расстояние до IK Пегаса составит более 2000 св. лет.

Вывод: взрыв IK Пегаса будет представлять собой появление светила -16-й величины, но существенного изменения температуры на Земле не произойдёт. Но звезда взорвётся очень нескоро, и поэтому успеет удалиться от нас на очень значительное расстояние.

4.  Заключение

Мы рассмотрели два ближайших кандидата в сверхновые. Из проведённых исследований можно сделать вывод, что вспышки сверхновых в обозримом будущем не способны значительно повлиять на жизнь Земли.

Источники информации:

http://gruzdoff. ru/wiki/Сверхновая_звезда

http://www. astronet. ru/db/msg/1201870/07.html

https://ru. wikipedia. org/wiki/Бетельгейзе

https://ru. wikipedia. org/wiki/IK_Пегаса

https://ru. wikipedia. org/wiki/Список_звёзд_—_кандидатов_в_сверхновые