Эта Киля: краткая история взрывающейся звезды

Звезда эта Киля находится посреди Млечного Пути внутри грандиозной Туманности Киля (NGC 3372). Иногда ее называют туманностью Карины (Carina — киль по-латыни). Туманность Киля — самая крупная область звездообразования в нашей Галактике. Снимок получен в инфракрасном свете на телескопе VLT в Чили. Эта Киля — яркая желтоватая звезда внизу слева. Фото: ESO

Примерно в это же время астрономы заметили странности в ее поведении. Наблюдения 1730 года показали, что блеск звезды вырос до 2^m, то есть эта Киля сравнялась в яркости со звездами ковша Большой Медведицы. Но в 1782 снова упал до 4^m и затем оставался почти неизменным вплоть до 1820 года.

После началось нечто необычное. Звезда начала разгораться. В 1822 году ее блеск вновь стал равен 2^m, в 1827 — уже 1^m. Эта Киля превращалась из тусклой, совершенно заурядной звездочки в одно из ярчайших светил ночного неба. Английский натуралист и путешественник Джон Берчилл (John Burchill), находившийся в то время в Сан-Паулу, послал письмо Джону Гершелю (астроному и математику, сыну Уильяма Гершеля) в Южную Африку, в котором предупреждал, что эта Киля ведет себя необычно, меняя блеск в 6 и более раз — от 4^m до первой звездной величины.

Великое извержение эты Киля

Вняв письму, сэр Джон Гершель начал следить за звездой. Особенно пристально он наблюдал η Киля в период с 1834 по 1838 годы в обсерватории на Мысе Доброй Надежды. На протяжении трех лет блеск светила колебался незначительно и в среднем был равен 1,2^m. (В это время звезда уже замыкала двадцатку самых ярких звезд неба.)

В конце 1838 года началась прелюдия того, что теперь в астрономических кругах называется не иначе, как Великое Извержение (Great Eruption) или Великая вспышка η Киля. За каких-то две недели блеск звезды вырос еще на одну звездную величину и достиг 0,2^m. Эта Киля сравнялась с ярчайшими звездами ночного неба, такими как Вега, Арктур или Капелла. Несколько месяцев спустя она вновь ослабла до 1,5^m, но только с тем, чтобы в 1843-1844 годах достичь феноменального блеска в -1,0^m! В этот период ярче η Киля был только Сириус

Грандиозное небесное представление продолжалось в течение нескольких лет: звезда лишь изредка немного ослабевала, но затем вновь начинала светить так же ярко. Последний скачок блеск η Киля совершил в 1850 году (с 1,8^m до -0,2^m), а затем стал медленно, но неуклонно падать. Великое Извержение подошло к концу

Кривая блеска эты Киля на протяжении последних трехсот лет (начиная со времен Галлея). Прерывистая черта отмечает предел видимости звезды невооруженным глазом. Рисунок: Большая Вселенная

В 1860-х звезда стала настолько ослабла, что была едва видимой для невооруженного глаза. В 1870 году ее блеск, наконец, стабилизировался в районе 7 — 8^m — звезду можно было наблюдать только в телескоп. Затем в период с 1887 по 1895 годы произошла еще одна вспышка, но гораздо ме́ньших масштабов (она получила название Малого Извержения — во время вспышки звезда балансировала на границе видимости), после чего эта Киля вернулась в прежнее состояние.

В 1900 году астрономы обнаружили, что эта Киля погружена в компактную расширяющуюся туманность. В 1950 году ее назвали туманность Гомункул за внешнее сходство с фигуркой маленького человечка. А начиная с 1940 года блеск светила начал снова расти — на этот раз очень медленно и плавно, — подтверждая тем самым статус η Киля как одной из самых непредсказуемых и нестабильных звезд. Сегодня ее можно увидеть на небе южного полушария Земли как слабую звёздочку 4,5^m

Туманность Гомункул, окружающая эту Киля. Первый снимок сделан в 1945 году; на нем туманность отдаленно напоминает маленького человечка. Второй, гораздо более четкий снимок получен 50 лет спустя телескопом «Хаббл». Масштаб фотографий одинаков

Эта Киля — звезда-гипергигант

Со времени Великого Извержения астрономы были уверены, что стали свидетелями экстраординарного события, но только дальнейшие наблюдения показали, явлением какого масштаба была вспышка эты Киля.

Чтобы понять, что произошло со звездой, астрономам было крайне важно определить фундаментальные характеристики светила — массу, светимость, температуру и так далее. Следовательно, прежде всего требовалось надежное определение расстояния до звезды. На примере Денеба мы уже убедились, насколько трудно это сделать для далеких звезд. Прямые методы здесь не работают, поэтому астрономы прибегают к различным ухищрениям, например, сравнивая блеск интересующей звезды со звездами поблизости, чьи характеристики известны.

Звезда Эта Киля находится внутри огромной туманности NGC 3372, известной также под именем Туманность Киля. Это межзвездное облако не только одно из самых больших скоплений газа в нашей Галактике, но и колыбель для многих тысяч новорожденных звезд, которые собраны в звездные скопления.

Астрономы установили, что эта Киля находится в одном из таких скоплений (Трюмплер 16) вместе со звездами, чья светимость была более или менее известна. По светимости и видимому блеску этих звезд было определено расстояние до скопления (а значит, и до эты Киля). Оно оказалось равным 7500 св. годам, что по меньшей мере втрое больше расстояния до того же Денеба!

Вычисленная на основе полученных оценок светимость эты Киля потрясла воображение ученых: во время Великого Извержения звезда излучала в 30 миллионов раз больше света, чем Солнце!

За одну секунду эта Киля испускала столько же света, сколько Солнце испускает за год. Могут ли звезды иметь в принципе такую светимость? Теоретические расчеты показывают, что столь мощный поток излучения способен разорвать звезду изнутри. Следовательно, астрономы имели дело именно со вспышкой, колоссальным взрывом, произошедшим на звезде. Великое Извержение стало одним из самых мощных взрывов, после которого звезда уцелела.

Правда, внешние последствия для η Киля были весьма серьезные. Наблюдения за туманностью Гомункул (которая состоит из вещества, сброшенного звездой во время Великого Извержения в 1843 году) показали, что ее масса равна примерно 10-15 массам Солнца! В космосе не так много звезд, чья масса превышает солнечную в 10 и более раз, а в нашем случае звезда всего лишь за несколько лет «худеет» на эту величину и при этом продолжает светить!

В конце 1960-х астрономы провели первые обзоры неба в инфракрасных лучах. Оказалось, что эта Киля, невидимая для невооруженного глаза в оптике, в тепловых лучах является самым ярким объектом на небе после Солнца, Луны и планет. Львиная доля излучения при этом приходится на туманность Гомункул. Очевидно, туманность поглощает видимый и ультрафиолетовый свет звезды, при этом пыль в ней нагревается и начинает излучать в инфракрасном диапазоне. Фактически, Гомункул играет роль космического калориметра, позволяя подсчитать, сколько света излучает эта Киля в настоящее время, даже несмотря на то что бо́льшая его часть поглощается туманностью.

Оказывается, эта Киля и сегодня сохраняет фантастическую светимость, испуская в 5 миллионов раз больше света, чем Солнце. Звезда подобной светимости должна иметь массу, близкую к пределу Эддингтона (выше которого давление излучения превышает силы тяготения и растаскивает звезду на части). Сегодня астрономы оценивают минимальную массу эты Киля по крайней в 100 масс Солнца! В реальности масса звезды может быть и большей, но ни в коем случае не меньшей. (Впрочем, есть серьезные доводы в пользу того, что эта Киля является двойной звездой. Этот факт может несколько понизить нижнюю планку массы звезды.)

Как бы то ни было, эта Киля является одной из самых массивных звезд нашей Галактики. Такие звезды принято называть гипергигантами. Встречаются они чрезвычайно редко — среди 100 миллиардов звезд Млечного Пути их едва ли наберется несколько десятков. В своеобразной звездной пирамиде, где внизу расположены многочисленные тусклые красные карлики, а посередине звезды типа Солнца, эта Киля находится на самой вершине.

Нестабильная звезда

Большинство звезд, которые мы наблюдаем в нашей Галактике (а также в других звездных системах), очень стабильны. Их масса, размеры и светимость практически не меняются на протяжении миллионов и даже миллиардов лет. Объясняется это равновесием между силами тяготения, которые стремятся сжать звезду, и давлением собственного излучения. В конце концов, когда звезда сжигает почти весь водород в своем ядре и ядерные реакции ослабевают, поток излучения становится меньше, и со светилом начинают происходить быстрые изменения. Звезда переходит в неустойчивую стадию гиганта.

В отличие от других звезд, эта Киля почти не вела спокойную жизнь. Родившись всего несколько миллионов лет назад, она уже истратила в своем ядре весь водород и перешла в фазу крайней нестабильности. Наблюдая за другими очень массивными звездами (они хоть и редки, зато видны издалека: их можно исследовать даже в соседних галактиках), астрономы нашли среди них «родственников» η Киля, которые также демонстрируют переменную светимость и периодически теряют значительные порции вещества. Их выделили в специальный класс Ярких Голубых Переменных (Luminous Blue Variables, или сокращенно LBV).

Сегодня астрономы плохо понимают эволюцию звезд, чьи массы в 60 и более раз больше массы Солнца. Классическая теория гласит, что пока в ядре такой звезды горит водород, она находится на вершине Главной последовательности (спектральный класс О3). После исчерпания первичного топлива в ядре — начинается слоевое горение водорода, и звезда переходит в крайне неустойчивую стадию Яркой Голубой Переменной. Ядро, тем временем, начинает сжиматься и разогреваться — до тех пор, пока в нем не загорится гелий. Тогда объект превращается в звезду типа Вольфа-Райе. Вслед за этим наступает быстрый конец — вспышка сверхновой или даже гиперновой.

Однако несмотря на ясность общей картины, астрономы до сих пор не уверены, проходят ли такие звезды через стадию красного гиганта и не являются ли звезды Вольфа-Райе эволюционными предшественниками LBV-звезд. Судя по тому, что ученые до сих пор не нашли красных или желтых сверхгигантов, чья светимость равнялась хотя бы миллиону светимостей Солнца, звезды типа эты Киля эволюционируют, вероятно, иным путем, чем их более легкие собратья.

Изучая Гомункул

Туманность Гомункул обязана своим рождением Великому Извержению 1843 года. По сути, этот уникальный объект представляет собой верхние слои звезды, сорванные во время одной-единственной вспышки и теперь расширяющиеся в космическом пространстве со скоростью около 700 километров в секунду.

Несмотря на то что туманность поглощает бо́льшую часть видимого света η Киля и, более того, искажает ее спектр, этот объект предоставил астрономам много полезной информации. Так, инфракрасные наблюдения показали, что лопасти Гомункула представляют собой полые сферы с тонкими стенками. Внутри этих сфер дует мощнейший звездный ветер, однако стенки туманности не расталкиваются им, а двигаются по баллистическим траекториям, то есть под действием первоначального импульса.

Ветер, дующий с поверхности η Киля, это невероятно гипертрофированная версия солнечного ветра, который, напомним, является причиной полярных сияний и магнитных бурь на Земле. Но если солнечный ветер слаб и разрежен, то ветер гипергиганта в Киле настолько плотен, что каждые сутки уносит с поверхности звезды 0,5 — 2 массы Земли! Значит, эта Киля теряет массу Солнца всего за тысячу лет!

В настоящее время туманность Гомункул имеет поперечник 0,7 световых года, а ее вещество остыло настолько, что в результате химических реакций в туманности образовались азотосодержащие молекулы. Обилие азота — еще одно доказательство того, что эта Киля сильно проэволюционировала.

Еще один интересный момент, связанный с туманностью Гомункул — ее странная биполярная форма. Как она возникла? Интерферометрические наблюдения в тепловых лучах показали, что звезда эта Киля имеет огромные размеры (в 1000 раз больше Солнца!), сильно сплюснута и похожа со стороны на мяч для регби. Такую форму можно объяснить быстрым вращением звезды. При этом вытянутый экватор совпадает с осью, вдоль которой была выброшена туманность. Значит, именно в этих направлениях ветер особенно силен. Это вполне логично, ведь именно с экватора звездный ветер должен уносить большую часть вещества вращающейся звезды (там ему помогает центробежная сила).

Но тогда возникает вопрос, почему туманность Гомункул имеет форму лопастей, а не кольца или тора? Объяснение, которое нашли астрономы, оказалось простым и красивым. Эта Киля, действительно, сильно сплюснута с полюсов, но при этом упрятана в кокон звездного ветра, настолько плотного, что он полностью скрывает от нас звезду. Именно кокон наблюдали астрономы с помощью интерферометров и приняли за поверхность η Киля. Сама же звезда, конечно, гораздо меньше по размерам (ее истинный диаметр равен «всего лишь» 240 солнечным) и повернута к лопастям Гомункула не экватором, как думали, а наоборот, сплюснутыми полюсами. Полярные области находятся ближе к ядру звезды, и потому горячее. Следовательно, именно на полюсах световое давление будет особенно интенсивно срывать внешние слои звезды и выбрасывать их вовне (даже несмотря на центробежную силу, помогающую ветру на экваторе). Из-за того что плотность звездного ветра на экваторе меньше, кокон, расширяясь в этом направлении, станет прозрачным на меньшем расстоянии от звезды. Так и образуется «мяч для регби», который астрономы приняли было за саму звезду, и который несет ответственность за форму Гомункула.

Эхо прошлого

В книге Сагана и Шкловского «Разумная жизнь во Вселенной» (по сути, это сильно расширенный и дополненный Карлом Саганом перевод книги И. С. Шкловского «Вселенная. Жизнь. Разум.» на английский язык) есть глава, посвященная возможным палеоконтактам человечества с внеземными цивилизациями. В частности, авторы анализируют миф о боге Эриды Эа, который принес древним шумерам свет знаний. Внешне Эа был похож на рыбу; каждое утро он поднимался из воды и учил людей. В то время город Эрида стоял на берегу Персидского залива, и мифический Эа, вероятно, жил в его водах.

Интересно в этой истории то, что бог Эа ассоциировался у шумеров с яркой южной звездой, которую они называли его именем. Звезда восходила над заливом и имела переменный блеск.

В 1890 году шумеролог П. Дженсен (P. C. A. Jensen) отождествил звезду Эа с η Киля. Он подсчитал, что в 3000 году до нашей эры эта Киля, действительно, должна была восходить над Персидским заливом (сейчас из-за прецессии это не так). Дженсен предположил, что шумеры застали ее во время одного из предыдущих Великих Извержений, когда она сияла наравне с Сириусом или даже еще ярче.

Так это или нет, доподлинно неизвестно, но фотографии туманности Гомункул, полученные на лучших телескопах, показывают вокруг нее тусклые ореолы. Это — остатки былых извержений. Вспышки эты Киля происходили не раз, и, вероятно, не раз еще произойдут в будущем.

Учитывая современные темпы потери массы, от звезды ничего не останется уже через 100 тысяч лет. Однако столько звезда не проживет; гораздо раньше она взорвется гиперновой. И тогда на небе южного полушария загорится звезда, превосходящая в блеске полную Луну. При ее свете предметы будут отбрасывать четкие тени, а люди смогут без труда читать книги.

Эта Киля: только факты

Здесь мы коротко суммируем основные факты о звезде.

• Эта Киля находится в южном полушарии небесной сферы в созвездии Киль (часть древнего созвездия Корабль Арго). Звезду можно наблюдать только на широтах южнее 30° с. ш. Вместе с тысячами других молодых светил эта Киля погружена в огромную Туманность Киля — самую большую область звездообразования в нашей Галактике. Расстояние до звезды составляет около 7500 световых лет.
• Эта Киля — одна из самых больших звезд в нашей Галактике: ее масса по меньшей мере в 100 раз больше массы Солнца, а светимость в 5 миллионов раз выше солнечной. Такие звезды очень редки — в Млечном Пути их можно пересчитать по пальцам.
• Возраст η Киля не больше 3 миллионов лет, однако она уже сошла с Главной последовательности и вступила в фазу неустойчивости, испытывая перепады в светимости и теряя большое количество вещества. Такие звезды называются Яркими Голубыми Переменными или звездами типа S Золотой Рыбы.
• Как следствие неустойчивости, в первой половине XIX века звезда пережила мощнейший взрыв; в это время она стала второй по блеску на нашем небе (после Сириуса). Взрыв сорвал с эты Киля внешнюю оболочку массой 10-15 масс Солнца, но сама звезда выжила. Сегодня мы наблюдаем эту оболочку как небольшую расширяющуюся туманность, известную под именем Гомункул. Туманность блокирует бо́льшую часть видимого света от звезды, но в инфракрасном диапазоне является самым ярким объектом неба после Солнца и планет.
• Согласно теоретическим выкладкам, эта Киля начала жизнь как звезда с массой около 160 масс Солнца. По меньшей мере 30 масс Солнца уже потеряно в результате нестационарных процессов. В настоящее время с поверхности η Киля дует чудовищный по силе звездный ветер, унося каждые сутки массу вещества, сравнимую с массой Земли.
• Ветер настолько плотен, что окружает звезду непрозрачной оболочкой подобно кокону. Именно структура ветра, скорее всего, ответственна за биполярную форму туманности Гомункул. Внутри туманности астрономы недавно обнаружили еще одну совсем крошечную туманность, выброшенную в период Малого Извержения в конце XIX века.
• Эта Киля, вероятно, является двойной звездой с периодом обращения 5,54 года. Звезда-спутник меньше, но горячее главной звезды, а его светимость может достигать сотен тысяч светимостей Солнца. Хотя непосредственно спутник не наблюдали, его присутствие может объяснить сразу несколько феноменов: 5,5-летний цикл в развитии Великого Извержения (1827, 1838, 1843 годы), изменение блеска звезды на разных длинах волн все с тем же 5,5-летним периодом, а также рентгеновское излучение, идущее от звезды. Последнее, вероятно, обусловлено столкновением потоков ветра от двух звезд при их сближении.

• В недалеком будущем эта Киля взорвется сверхновой. Когда это случится, предсказать сложно. Возможно, через десять или двадцать тысяч лет, а возможно и завтра. Взрыв будет гораздо мощнее, чем у обычной сверхновой; такие явления принято называть вспышкой гиперновой. После взрыва большая часть вещества разлетится в пространстве, а на месте звезды останется, скорее всего, черная дыра.

Даже простое перечисление интересных фактов о звезде заняло бы слишком много места. Так, мы не упомянули в статье о таких интересных находках, как естественные ультрафиолетовые лазеры, бьющие из Гомункула, и обнаруженные 10 лет назад «усы» — высокоскоростные волокна вещества, радиально выходящие из туманности. Последние, вероятно, обусловлены «пулями» — сгустками вещества, вылетевшими из звезды во время Великого Извержения со скоростями до 3 тысяч километров в секунду. Такие сгустки должны были иметь массу, сравнимую с массой планет-гигантов Солнечной системы.

Получив возможность детально исследовать звезду и туманность Гомункул с помощью новейших телескопов, астрономы получили большое количество интереснейшей информации, которая еще только ждет своего осмысления. В настоящее время эта Киля — это астрофизическая лаборатория, полигон, на котором тестируются модели эволюции самых больших звезд во Вселенной.

Эта Киля: краткая характеристика звезды

Ниже светимость, масса и радиус звезды выражены в солнечных.