Страница:
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно посмотреть, что происходит со звездами на главной последовательности. Как мы помним, находясь на главной последовательности, звезда стабильно излучает на протяжении долгого времени, и ее положение на диаграмме «спектр – светимость» не меняется. Однако расход водородного топлива, поддерживающий термоядерные реакции синтеза в недрах, неодинаков у разных звезд. Звезды, сравнимые с Солнцем по массе, живут весьма экономно, поэтому запасов водорода им хватит надолго. Красные карлики – еще большие скряги: бережно считая каждый грош, они проживут вдвое, а то и втрое-вчетверо дольше нашего Солнца. А вот массивные звезды – великие транжиры и моты: самые тяжелые из них будут находиться на главной последовательности всего лишь несколько миллионов лет. Бурная жизнь в молодые годы приводит к ранней старости.
Что же происходит со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее ядре выгорает? Когда водородное топливо подходит к концу, ядро звезды начинает сжиматься, а его температура стремительно растет. В результате формируется очень плотная и горячая область, состоящая из гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в подобном состоянии называется вырожденным. В центральной части ядра ядерные реакции практически останавливаются, но довольно активно продолжают протекать на его периферии. Звезда начинает быстро разбухать, пухнуть как на дрожжах, а ее размеры и светимость значительно увеличиваются. Звезда сходит с главной последовательности и превращается в красный гигант с температурой поверхности около 3 тысяч градусов Кельвина.
Однако в центральных областях распухшей звезды гелий продолжает трансформироваться в углерод и кислород вплоть до самых тяжелых элементов. Что произойдет, когда гелиевое топливо тоже закончится, как водород на предыдущем этапе? Дальнейший ход событий зависит от первоначальной массы звезды. Если она была небольшой вроде нашего Солнца, внешние слои сбрасываются, образуя планетарную туманность (разлетающееся облако газа), в центре которой загорается уже знакомый нам белый карлик – горячая звезда размером примерно с Землю и с массой порядка массы Солнца. Средняя плотность вещества белого карлика составляет 106г/см3.
Белые карлики – весьма любопытные объекты. Представляя собой, по сути дела, мертвую звезду (термоядерные реакции давным-давно сошли на нет), они продолжают излучать, а гравитационное сжатие тем не менее не в силах преодолеть противодействующее ему высокое давление. Сразу же возникает вопрос: откуда это давление берется, если температура внутренних областей звезды сравнительно невысока (действительно так), а термоядерные реакции приказали долго жить? Во всем «виноваты» парадоксальные законы квантовой механики. Под действием гравитации вещество белого карлика уплотняется настолько, что атомные ядра буквально втискиваются внутрь электронных оболочек соседних атомов. Электроны утрачивают интимную связь со своими родными атомами и начинают свободно путешествовать в межатомных пустотах по всему пространству звезды, в то время как голые ядра образуют устойчивую жесткую систему – некое подобие кристаллической решетки. Такое состояние называется вырожденным электронным газом, и хотя белый карлик продолжает остывать, средняя скорость электронов уменьшаться не думает. По законам квантовой механики, чем ближе друг к другу находятся электроны, тем сильнее должны различаться их скорости, из чего следует, что большая часть электронов будет двигаться очень быстро. Послушаем физиков:
А как поведет себя более массивная звезда после исчерпания гелия? Если ее начальная масса была больше 8 – 10 солнечных масс, в центре звезды формируется луковицеобразное ядро, состоящее из тяжелых элементов, окруженных слоями из более легких. В некоторый момент такое ядро теряет устойчивость и начинает катастрофически сжиматься. Это явление принято называть гравитационным коллапсом. В зависимости от массы ядра его центральная часть либо превращается в сверхплотный объект – нейтронную звезду, либо коллапсирует «до упора», образуя черную дыру. Чудовищная гравитационная энергия, которая выделяется в ходе сжатия, срывает оболочку и внешнюю часть ядра, выбрасывая их наружу с высокой скоростью. Происходит грандиозный взрыв, сопровождающийся рождением сверхновой звезды. Нам не известны космические катаклизмы более масштабные, чем вспышки сверхновых; в течение некоторого времени такая звезда светит ярче целой галактики. Постепенно сброшенная газовая оболочка остынет и затормозится (в межзвездном пространстве много разреженного газа), а со временем сформирует газово-пылевое облако, в котором удельный вес тяжелых элементов будет весьма ощутим. Объясняется это тем, что в течение своей короткой, но бурной жизни массивная звезда успела накопить много тяжелых элементов вплоть до железа, некоторая часть которых улетела в межзвездное пространство во время взрыва. Когда газово-пылевое облако начнет конденсироваться под действием гравитационных сил, внутри него может вспыхнуть новая звезда. Подобные звезды, родившиеся на руинах прежних, принято называть звездами второго поколения, и наше Солнце, похоже, как раз относится к числу именно таких звезд.
Таким образом, в природе наблюдается некоторая преемственность: массивные звезды первого поколения гибнут, обогащая межзвездное пространство тяжелыми элементами, которые служат строительным материалом для звезд второго поколения. Все химические элементы тяжелее гелия образовались в звездных недрах в ходе термоядерного синтеза, а самые тяжелые элементы возникли при вспышках сверхновых. У Земли есть железное ядро, на которое приходится около трети ее массы, так что можно приблизительно прикинуть, какое количество железа выплюнула доисторическая сверхновая 5 миллиардов лет тому назад. Все, что нас окружает на Земле, да и сама Земля – это звездное вещество, доставшееся нам в наследство. Можно сказать, что ядерные реакции в недрах звезд – главная причина разнообразия окружающего мира. В далеком прошлом во Вселенной тяжелых элементов было гораздо меньше, чем сейчас, о чем свидетельствуют данные наблюдательной астрономии. Спектроскопические исследования показали, что звездная публика сильно различается по своему химическому составу. Например, горячие массивные звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости, в несколько десятков раз богаче тяжелыми элементами, чем звезды шаровых скоплений, лежащих около центра Галактики.
Вспышка сверхновой – очень редкое явление. За последнюю тысячу лет в нашей Галактике вспыхнуло всего три сверхновых – в 1054 году, в 1572 году и в 1604 году. Сверхновую 1572 года, вспыхнувшую в созвездии Кассиопеи, наблюдал датский астроном Тихо Браге. В период максимума своего блеска она сияла ярче Венеры. Сверхновая 1604 года уступала в яркости звезде Тихо Браге, но все же и она в максимуме блеска соперничала с Юпитером. Она зажглась в созвездии Змееносца, и ее наблюдали Иоганн Кеплер и Галилео Галилей. Что касается сверхновой 1054 года, то о ней сохранились упоминания в китайских хрониках, из которых следует, что она была видна даже днем, а в максимуме блеска многократно превосходила Венеру. Сегодня считается, что Крабовидная туманность в созвездии Тельца и находящийся в ней пульсар (быстро вращающаяся нейтронная звезда) являются остатками сверхновой 1054 года. Крабовидная туманность – облако клубящегося газа, пронизанное рваными нитями, – хоть и медленно, но вполне отчетливо расползается по небу. Казалось бы, ничего особенного, но поскольку расстояние до этой туманности превышает 4 тысячи световых лет, это означает, что скорость разлета ее газов достигает 1500 километров в секунду. Между тем скорость обычных газовых туманностей в нашей Галактике не превышает 20–30 километров в секунду. Только чудовищный по силе взрыв мог сообщить массе газа столь высокую скорость.
Хотя вспышки сверхновых – явление весьма редкое, по мере совершенствования техники астрономических наблюдений их стали обнаруживать все чаще и чаще. Галактик насчитывается десятки миллиардов, и где-нибудь сверхновая обязательно вспыхнет. А поскольку в максимуме своего блеска они способны затмевать галактику, в которой зажглись, их можно увидеть на таких расстояниях, какие только доступны современным телескопам. Например, сверхновая S Андромеды, вспыхнувшая в этой галактике в 1885 году, имела абсолютную звездную величину минус 19, из чего следует, что ее светимость в течение короткого времени в 10 миллиардов раз превышала светимость Солнца. Ее даже можно было видеть невооруженным глазом как очень слабую звездочку 6-й величины, а ведь туманность Андромеды отделяют от нашей Галактики почти 2 с половиной миллиона световых лет. В наши дни в других галактиках открывают несколько десятков сверхновых в год.
Хотя все вспышки сверхновых представляют собой финальный этап жизни звезды, астрономы выделяют несколько их типов в зависимости от характера спектра и светимости. Обычно говорят о двух типах этих редких звезд. Сверхновые I типа – старые и не очень массивные звезды, вспыхивающие как в эллиптических, так и в спиральных галактиках. Мощность излучения сверхновых этого типа особенно велика. Сверхновые II типа связывают с молодыми массивными звездами, быстро «пробежавшими» свой эволюционный путь. Их обнаруживают в рукавах спиральных галактик, где продолжают идти процессы звездообразования, а в эллиптических галактиках они не вспыхивают никогда.
От сверхновых следует отличать обычные новые звезды. Они вспыхивают сравнительно часто (около 100 вспышек в год в нашей Галактике), а мощность излучения этих звезд в тысячи и десятки тысяч меньше. Все без исключения новые являются тесными двойными системами, как правило, состоящими из белого карлика и нормальной звезды. Инициатором взрыва обычно становится белый карлик, сгоревшая дотла звезда, от которой остался только пепел давно прекратившихся термоядерных реакций. Из-за близости между компонентами двойной системы вещество поверхностных слоев спутника перетекает на белый карлик, и когда его накапливается много, термоядерные реакции могут зажечься вновь. Процесс носит вспышечный характер и напоминает взрыв гигантской водородной бомбы. На протяжении нескольких часов или суток звезда достигает максимума блеска, а затем долгие месяцы или даже годы медленно угасает. Масса сброшенной оболочки всегда значительно меньше массы самой звезды, так что она не разрушается при взрыве, как сверхновая, а остается в целости и сохранности. Принято считать, что новые теряют 1/100 000 своей массы, тогда как у сверхновых I типа этот показатель колеблется в пределах от 1/10 до 9/10, а у сверхновых II типа – от 1/100 до 1/10. По прошествии определенного времени новая звезда может вспыхнуть повторно (иногда это происходит через несколько десятилетий). Сверхновые звезды повторно не зажигаются никогда.
Итак, после катастрофического взрыва массивной сверхновой остается крохотный сгусток чудовищной плотности – так называемая нейтронная звезда. Если начинка белого карлика представляет собой вырожденный электронный газ, то в нейтронной звезде свободных электронов нет. Ее масса настолько велика, что давление электронного газа не в силах противостоять нарастающему гравитационному сжатию. Образно говоря, электроны «вдавливаются» в протоны, в результате чего протоны превращаются в нейтроны. За исключением внешних слоев нейтронной звезды (коры), ее вещество состоит в основном из нейтронов и очень небольшого количества протонов и электронов. Давление в центре нейтронной звезды достигает столь больших величин, что может в несколько раз превышать плотность атомного ядра. Разумеется, атомное ядро тоже построено из протонов и нейтронов, но там на них действуют только ядерные силы, а в случае нейтронной звезды к ним добавляется тяжелейший гравитационный пресс. Можно сказать, что нейтронная звезда представляет собой сплошное атомное ядро.
Чтобы сколько-нибудь наглядно вообразить чудовищную тесноту недр нейтронной звезды, вспомним, что размер атома составляет в среднем 10-8см, а размер атомного ядра – 10-13см. Таким образом, ядро меньше атома в целом в 100 тысяч раз, а поскольку практически вся масса атома сосредоточена в ядре, обычное вещество состоит почти что из пустоты. Для сравнения: на отрезке между Землей и Солнцем уляжется чуть больше 100 солнечных диаметров и почти 12 тысяч поперечников Земли, тогда как между атомным ядром и ближайшей электронной оболочкой (орбитой) без труда разместятся 100 тысяч атомных ядер. Если мы притиснем ядра вплотную друг к другу, плотность вещества вырастет в 1015раз и превысит плотность атомного ядра. Плотность нейтронной звезды оценивается в 5 х Ю15г/см3, а это, между прочим, несколько миллиардов тонн. При массе порядка двух солнечных масс подобный объект будет совершенной крохой – 10–15 километров в диаметре.
Структура нейтронной звезды весьма сложна и плохо изучена. Как ведет себя вещество при плотностях, превосходящих ядерную, можно только гадать. Предложено несколько моделей, описывающих строение нейтронных звезд, но все они оказываются в той или иной степени гипотетическими. Специалисты единодушны только в одном: нейтронная звезда имеет слоистую структуру. Поверхностный слой – это плазма, захватывающая прилетающие из космоса релятивистские частицы, которые двигаются по спиралям вдоль магнитных силовых линий и интенсивно излучают в рентгеновском диапазоне. Далее идет слой, имеющий кристаллическую структуру, а вслед за ним – слой из тяжелых ядер, нейтронов и электронов. Еще глубже располагаются плотно упакованные нейтроны, а в самом центре находится ядро из кварк-глюонной плазмы. По направлению от поверхности к центру плотность возрастает от 4,3 х 1011г/см3до 1,2 х Ю15г/см3.
Типичная модель нейтронной звезды представляет собой слоистую луковицу: внешняя кора из электронов и ядер, внутренняя кора (сверхтекучие нейтроны, ядра с избытком нейтронов и электроны), внешнее ядро (сверхтекучие нейтроны, сверхпроводящие протоны, нормальные электроны) и внутренне ядро, около которого стоит большой знак вопроса. По некоторым данным, нейтронная материя может там превращаться в кварковую. Как известно, нейтроны и протоны состоят из кварковых триплетов. При не очень высокой плотности кварки легко удерживаются внутри нейтрона энергией сильного взаимодействия, но в центре нейтронной звезды, где плотность зашкаливает, они получают возможность проникать в соседнюю частицу, то есть начинают свободно путешествовать внутри сверхплотной области. Кварковые триплеты разваливаются, и тогда такое вещество следует рассматривать как кварковый газ или жидкость. По расчетам теоретиков, кроме обычных и– и d-кварков (верхнего и нижнего, из которых построены нуклоны – протоны и нейтроны) в таком газе обнаруживаются в большом количестве так называемые s-кварки (странные), которые входят в состав тяжелых частиц – гиперонов. Поэтому такие кварковые звезды принято называть «странными». (О субъядерных частицах, в том числе о кварках и глюонах, подробно рассказывается в главе «Кирпичи мироздания».)
Итак, в соответствии с некоторыми моделями сначала рождается обычная нейтронная звезда, а после того как вещество в ее недрах совершит переход в кварковое состояние, она эволюционирует в кварковую звезду. Впрочем, полной ясности в этих вопросах нет.
Разумеется, обнаружить нейтронную звезду путем оптических наблюдений невозможно. Ядерные реакции внутри них не идут, поэтому излучение тоже отсутствует. Кроме того, площадь поверхности нейтронной звезды настолько мала, что ее видимый блеск будет иметь совершенно ничтожную величину. Но если она входит в двойную систему, то характер движения обычной звезды может выдать присутствие соседки-невидимки. Однако открытие пришло, как это часто бывает, совсем с другой, неожиданной стороны. Во второй половине прошлого века удалось зарегистрировать мощные источники радиоизлучения, интенсивность которого периодически менялась со временем. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка английского радиоастронома Энтони Хьюиша, случайно обнаружила совершенно необычный радиоисточник, который излучал в импульсном режиме строго периодически – каждые 1,33 секунды. Через короткое время нашли еще три источника с такими же короткими интервалами. Когда версия об искусственном происхождении сигналов отпала (поначалу заговорили о внеземных цивилизациях и даже возникла небольшая паника), остался единственный вариант – естественное происхождение радиоимпульсов. Загадочные радиоисточники получили название пульсаров и довольно скоро были отождествлены с быстро вращающимися нейтронными звездами.
Если взять звезду с параметрами нашего Солнца (диаметр около 1,4 миллиона километров и период обращения вокруг оси 25 суток) и спрессовать ее вещество в объеме с радиусом около 10 километров, то экваториальная скорость при условии сохранения массы чудовищно увеличится – примерно в 100 тысяч раз. А период вращения в миллиарды раз уменьшится и составит тысячные доли секунды. Правда, пульсар, найденный Белл, имел период заметно больший, но все равно это очень маленькая величина, совершенно нетипичная для небесных тел. Между прочим, пульсар в Крабовидной туманности совершает 30 оборотов в секунду, что уже весьма близко к расчетной величине, а пульсар в созвездии Лисички имеет период 0,00155 секунды. Понятно, что столь быстро вращаться могут только такие тела, линейные размеры которых измеряются десятками километров. А если это так, то перед нами не что иное, как нейтронные звезды.
С рекордно коротким периодом импульсов мы разобрались. Осталось выяснить, откуда берется столь мощное радиоизлучение. Верхний слой нейтронной звезды представляет собой плазму, пронизанную мощным магнитным полем. Заряженные частицы двигаются вдоль силовых линий и в конце концов оказываются в области магнитных полюсов, откуда выбрасываются узконаправленные пучки частиц с высокой энергией – так называемые джеты (от английского jet – «струя»). Стремительное вращение звезды придает вылетающим частицам дополнительную энергию. Из расчетов следует, что сжатие звезды приводит к увеличению ее магнитного поля, поэтому, зная его среднее значение у обычных звезд, можно вычислить, каким оно окажется у нейтронной звезды. Магнитное поле вырастет в 1012раз и составит колоссальную величину 108– 109тесла. Ну а поскольку магнитный полюс не обязан лежать на оси вращения (географический полюс Земли тоже не совпадает с магнитным) джет будет описывать конус. Мы увидим пульсар в тот момент, когда он «смотрит» прямо на Землю. В следующее мгновение он «отвернулся», а затем цикл повторяется вновь.
Впоследствии кроме радиопульсаров были обнаружены рентгеновские пульсары, а также источники мощного потока гамма-излучения (МПГ-источники) с той же самой строгой периодичностью. Рентгеновские пульсары являются компонентами тесных двойных систем. Вещество звезды-соседки перетекает на его поверхность под действием сил гравитации (это явление называется аккрецией), откуда и черпают энергию вылетающие фотоны. Однако излучать в рентгеновском диапазоне могут и одиночные нейтронные звезды. Совсем недавно, в 90-х годах прошлого века, были обнаружены семь радиотихих нейтронных звезд с экстремально большим отношением рентгеновского потока к оптическому. Сначала предположили, что во всем виноват механизм аккреции: хотя у одинокой нейтронной звезды нет собрата, она может захватывать межзвездный газ, в результате чего ее поверхность разогревается до миллиона градусов и начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Однако по ряду причин эта гипотеза не подтвердилась. Нейтронные звезды рождаются очень горячими (температура поверхности составляет порядка миллиарда градусов), а затем постепенно остывают, но даже через сотни тысяч лет после рождения ее температура может превышать миллион градусов. Поэтому, вероятнее всего, мы видим семерку молодых и горячих нейтронных звезд. Все они расположены сравнительно недалеко от Земли (примерно 120 парсек), из чего можно заключить, что Солнечная система в настоящее время проходит через область недавнего звездообразования (так называемый пояс Гулда).
Итак, на закате своей жизни звезда сбрасывает газовую оболочку, а ее ядро начинает стремительно сжиматься. Если его масса была меньше 1,4 массы Солнца, гравитационный коллапс остановится на стадии белого карлика. Если масса ядра находится в пределах 1,4–3,0 солнечной массы, оно сколлапсирует в нейтронную звезду. Если же ядро еще массивнее (более трех масс Солнца), возникнет провал в неведомое – загадочный объект под названием «черная дыра». Критическую величину в 1,4 массы Солнца принято называть пределом Чандрасекара, по имени индийского физика-теоретика, рассчитавшего этот параметр.
Под черной дырой следует понимать область пространства-времени, полностью закрытую для внешнего наблюдателя. Из-под гравитационной крышки, навсегда прихлопнувшей раздавленную звезду, не может выбраться наружу ни один сигнал, в том числе и луч света. Путь внутрь черной дыры – дорога в один конец: любой предмет, провалившийся в ее непостижимую пучину, исчезает бесследно. Поэтому черная дыра – очень меткий термин, отражающий самую суть этого невразумительного объекта. Вечное упокоение световых квантов на дне гравитационной могилы объясняется сравнительно просто. Чем массивнее тело, тем больше энергии надо затратить, чтобы оторваться от его поверхности. Чтобы разорвать путы земного притяжения (сойти с околоземной орбиты), космический корабль должен развить скорость 11,2 километра в секунду. Эта величина называется второй космической скоростью, или скоростью убегания. На поверхности Солнца она составит 700 километров в секунду, а вот скорость убегания для черной дыры равна скорости света, поэтому покинуть ее нутро не может ничто.
Неподготовленному читателю может показаться странным, что не такой уж безумно тяжелый объект (свыше трех солнечных масс) навсегда останавливает световые лучи. Почему в таком случае массивные звезды запросто излучают свет? Однако дело тут не столько в массе как таковой, а в том объеме, в который эта масса помещена. Если бы мы стали сжимать Землю, бережно сохраняя ее полную массу, то увидели бы, что вторая космическая скорость неуклонно растет, хотя масса планеты не меняется. Когда радиус Земли уменьшится до 9 мм, а плотность ее вещества вырастет до 1027г/см3(на 13 порядков больше плотности атомного ядра), скорость убегания на ее поверхности сравняется со скоростью света. После этого пресс можно спокойно отложить в сторону. Согласно общей теории относительности, Земля с этого момента начнет неудержимо коллапсировать самостоятельно, пока на ее месте не образуется микроскопическая черная дыра.
Термин «черная дыра» ввел в научный обиход американский физик Джон Уилер в 1969 году, хотя представление об исключительно массивных телах, не излучающих по этой причине света, возникло много раньше – еще в конце XVIII века. В 1783 году кембриджский преподаватель и астроном-любитель Джон Мичел предположил, что в природе должны существовать компактные и тяжелые небесные тела, на поверхности которых скорость убегания превысит скорость света. Численное значение радиуса, при котором скорость света уравнивается со второй космической скоростью, нетрудно рассчитать для любого тела, если известна его масса. Эту величину принято называть гравитационным радиусом (rg), и она легко вычисляется по формуле rg = 2GM/c2, где G – гравитационная постоянная, а с – скорость света. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 километрам, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Подобного рода сверхмассивные черные дыры, как считают астрофизики, встречаются в ядрах спиральных галактик.
Что же происходит со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее ядре выгорает? Когда водородное топливо подходит к концу, ядро звезды начинает сжиматься, а его температура стремительно растет. В результате формируется очень плотная и горячая область, состоящая из гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в подобном состоянии называется вырожденным. В центральной части ядра ядерные реакции практически останавливаются, но довольно активно продолжают протекать на его периферии. Звезда начинает быстро разбухать, пухнуть как на дрожжах, а ее размеры и светимость значительно увеличиваются. Звезда сходит с главной последовательности и превращается в красный гигант с температурой поверхности около 3 тысяч градусов Кельвина.
Однако в центральных областях распухшей звезды гелий продолжает трансформироваться в углерод и кислород вплоть до самых тяжелых элементов. Что произойдет, когда гелиевое топливо тоже закончится, как водород на предыдущем этапе? Дальнейший ход событий зависит от первоначальной массы звезды. Если она была небольшой вроде нашего Солнца, внешние слои сбрасываются, образуя планетарную туманность (разлетающееся облако газа), в центре которой загорается уже знакомый нам белый карлик – горячая звезда размером примерно с Землю и с массой порядка массы Солнца. Средняя плотность вещества белого карлика составляет 106г/см3.
Белые карлики – весьма любопытные объекты. Представляя собой, по сути дела, мертвую звезду (термоядерные реакции давным-давно сошли на нет), они продолжают излучать, а гравитационное сжатие тем не менее не в силах преодолеть противодействующее ему высокое давление. Сразу же возникает вопрос: откуда это давление берется, если температура внутренних областей звезды сравнительно невысока (действительно так), а термоядерные реакции приказали долго жить? Во всем «виноваты» парадоксальные законы квантовой механики. Под действием гравитации вещество белого карлика уплотняется настолько, что атомные ядра буквально втискиваются внутрь электронных оболочек соседних атомов. Электроны утрачивают интимную связь со своими родными атомами и начинают свободно путешествовать в межатомных пустотах по всему пространству звезды, в то время как голые ядра образуют устойчивую жесткую систему – некое подобие кристаллической решетки. Такое состояние называется вырожденным электронным газом, и хотя белый карлик продолжает остывать, средняя скорость электронов уменьшаться не думает. По законам квантовой механики, чем ближе друг к другу находятся электроны, тем сильнее должны различаться их скорости, из чего следует, что большая часть электронов будет двигаться очень быстро. Послушаем физиков:
Такое квантовомеханическое движение никак не связано с температурой вещества, оно создает давление, называемое давлением вырожденного электронного газа. У белых карликов именно эта сила уравновешивает силу их собственной гравитации.Таким образом, белые карлики как бы «вызревают» внутри красных гигантов и представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд. Это мертвые, постепенно остывающие миры, внутри которых весь водород выгорел, а ядерные реакции прекратились. Между прочим, в отдаленном будущем такая незавидная участь постигнет и наше Солнце. Как показывают расчеты, примерно через 5–6 миллиардов лет оно сожжет весь водород и превратится в красного гиганта, увеличив свою светимость в сотни раз, а радиус – в десятки. Любопытно, что подобную эволюцию нашего светила предсказал Герберт Уэллс в романе «Машина времени». Если вы, читатель, помните, его путешественник по времени увидел в далеком будущем огромное багровое Солнце в полнеба, повисшее над пустынным морем. Откровенно говоря, Уэллс немного обмишурился, поскольку распухшее Солнце должно было нагреть поверхность Земли до нескольких сотен градусов по Цельсию, так что путешествовавший во времени изжарился бы заживо вместе со своим неуклюжим агрегатом. Но не будем цепляться к классику по мелочам. На стадии красного гиганта Солнце проживет несколько сотен миллионов лет, а потом сбросит оболочку и превратится в белого карлика.
А как поведет себя более массивная звезда после исчерпания гелия? Если ее начальная масса была больше 8 – 10 солнечных масс, в центре звезды формируется луковицеобразное ядро, состоящее из тяжелых элементов, окруженных слоями из более легких. В некоторый момент такое ядро теряет устойчивость и начинает катастрофически сжиматься. Это явление принято называть гравитационным коллапсом. В зависимости от массы ядра его центральная часть либо превращается в сверхплотный объект – нейтронную звезду, либо коллапсирует «до упора», образуя черную дыру. Чудовищная гравитационная энергия, которая выделяется в ходе сжатия, срывает оболочку и внешнюю часть ядра, выбрасывая их наружу с высокой скоростью. Происходит грандиозный взрыв, сопровождающийся рождением сверхновой звезды. Нам не известны космические катаклизмы более масштабные, чем вспышки сверхновых; в течение некоторого времени такая звезда светит ярче целой галактики. Постепенно сброшенная газовая оболочка остынет и затормозится (в межзвездном пространстве много разреженного газа), а со временем сформирует газово-пылевое облако, в котором удельный вес тяжелых элементов будет весьма ощутим. Объясняется это тем, что в течение своей короткой, но бурной жизни массивная звезда успела накопить много тяжелых элементов вплоть до железа, некоторая часть которых улетела в межзвездное пространство во время взрыва. Когда газово-пылевое облако начнет конденсироваться под действием гравитационных сил, внутри него может вспыхнуть новая звезда. Подобные звезды, родившиеся на руинах прежних, принято называть звездами второго поколения, и наше Солнце, похоже, как раз относится к числу именно таких звезд.
Таким образом, в природе наблюдается некоторая преемственность: массивные звезды первого поколения гибнут, обогащая межзвездное пространство тяжелыми элементами, которые служат строительным материалом для звезд второго поколения. Все химические элементы тяжелее гелия образовались в звездных недрах в ходе термоядерного синтеза, а самые тяжелые элементы возникли при вспышках сверхновых. У Земли есть железное ядро, на которое приходится около трети ее массы, так что можно приблизительно прикинуть, какое количество железа выплюнула доисторическая сверхновая 5 миллиардов лет тому назад. Все, что нас окружает на Земле, да и сама Земля – это звездное вещество, доставшееся нам в наследство. Можно сказать, что ядерные реакции в недрах звезд – главная причина разнообразия окружающего мира. В далеком прошлом во Вселенной тяжелых элементов было гораздо меньше, чем сейчас, о чем свидетельствуют данные наблюдательной астрономии. Спектроскопические исследования показали, что звездная публика сильно различается по своему химическому составу. Например, горячие массивные звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости, в несколько десятков раз богаче тяжелыми элементами, чем звезды шаровых скоплений, лежащих около центра Галактики.
Вспышка сверхновой – очень редкое явление. За последнюю тысячу лет в нашей Галактике вспыхнуло всего три сверхновых – в 1054 году, в 1572 году и в 1604 году. Сверхновую 1572 года, вспыхнувшую в созвездии Кассиопеи, наблюдал датский астроном Тихо Браге. В период максимума своего блеска она сияла ярче Венеры. Сверхновая 1604 года уступала в яркости звезде Тихо Браге, но все же и она в максимуме блеска соперничала с Юпитером. Она зажглась в созвездии Змееносца, и ее наблюдали Иоганн Кеплер и Галилео Галилей. Что касается сверхновой 1054 года, то о ней сохранились упоминания в китайских хрониках, из которых следует, что она была видна даже днем, а в максимуме блеска многократно превосходила Венеру. Сегодня считается, что Крабовидная туманность в созвездии Тельца и находящийся в ней пульсар (быстро вращающаяся нейтронная звезда) являются остатками сверхновой 1054 года. Крабовидная туманность – облако клубящегося газа, пронизанное рваными нитями, – хоть и медленно, но вполне отчетливо расползается по небу. Казалось бы, ничего особенного, но поскольку расстояние до этой туманности превышает 4 тысячи световых лет, это означает, что скорость разлета ее газов достигает 1500 километров в секунду. Между тем скорость обычных газовых туманностей в нашей Галактике не превышает 20–30 километров в секунду. Только чудовищный по силе взрыв мог сообщить массе газа столь высокую скорость.
Хотя вспышки сверхновых – явление весьма редкое, по мере совершенствования техники астрономических наблюдений их стали обнаруживать все чаще и чаще. Галактик насчитывается десятки миллиардов, и где-нибудь сверхновая обязательно вспыхнет. А поскольку в максимуме своего блеска они способны затмевать галактику, в которой зажглись, их можно увидеть на таких расстояниях, какие только доступны современным телескопам. Например, сверхновая S Андромеды, вспыхнувшая в этой галактике в 1885 году, имела абсолютную звездную величину минус 19, из чего следует, что ее светимость в течение короткого времени в 10 миллиардов раз превышала светимость Солнца. Ее даже можно было видеть невооруженным глазом как очень слабую звездочку 6-й величины, а ведь туманность Андромеды отделяют от нашей Галактики почти 2 с половиной миллиона световых лет. В наши дни в других галактиках открывают несколько десятков сверхновых в год.
Хотя все вспышки сверхновых представляют собой финальный этап жизни звезды, астрономы выделяют несколько их типов в зависимости от характера спектра и светимости. Обычно говорят о двух типах этих редких звезд. Сверхновые I типа – старые и не очень массивные звезды, вспыхивающие как в эллиптических, так и в спиральных галактиках. Мощность излучения сверхновых этого типа особенно велика. Сверхновые II типа связывают с молодыми массивными звездами, быстро «пробежавшими» свой эволюционный путь. Их обнаруживают в рукавах спиральных галактик, где продолжают идти процессы звездообразования, а в эллиптических галактиках они не вспыхивают никогда.
От сверхновых следует отличать обычные новые звезды. Они вспыхивают сравнительно часто (около 100 вспышек в год в нашей Галактике), а мощность излучения этих звезд в тысячи и десятки тысяч меньше. Все без исключения новые являются тесными двойными системами, как правило, состоящими из белого карлика и нормальной звезды. Инициатором взрыва обычно становится белый карлик, сгоревшая дотла звезда, от которой остался только пепел давно прекратившихся термоядерных реакций. Из-за близости между компонентами двойной системы вещество поверхностных слоев спутника перетекает на белый карлик, и когда его накапливается много, термоядерные реакции могут зажечься вновь. Процесс носит вспышечный характер и напоминает взрыв гигантской водородной бомбы. На протяжении нескольких часов или суток звезда достигает максимума блеска, а затем долгие месяцы или даже годы медленно угасает. Масса сброшенной оболочки всегда значительно меньше массы самой звезды, так что она не разрушается при взрыве, как сверхновая, а остается в целости и сохранности. Принято считать, что новые теряют 1/100 000 своей массы, тогда как у сверхновых I типа этот показатель колеблется в пределах от 1/10 до 9/10, а у сверхновых II типа – от 1/100 до 1/10. По прошествии определенного времени новая звезда может вспыхнуть повторно (иногда это происходит через несколько десятилетий). Сверхновые звезды повторно не зажигаются никогда.
Итак, после катастрофического взрыва массивной сверхновой остается крохотный сгусток чудовищной плотности – так называемая нейтронная звезда. Если начинка белого карлика представляет собой вырожденный электронный газ, то в нейтронной звезде свободных электронов нет. Ее масса настолько велика, что давление электронного газа не в силах противостоять нарастающему гравитационному сжатию. Образно говоря, электроны «вдавливаются» в протоны, в результате чего протоны превращаются в нейтроны. За исключением внешних слоев нейтронной звезды (коры), ее вещество состоит в основном из нейтронов и очень небольшого количества протонов и электронов. Давление в центре нейтронной звезды достигает столь больших величин, что может в несколько раз превышать плотность атомного ядра. Разумеется, атомное ядро тоже построено из протонов и нейтронов, но там на них действуют только ядерные силы, а в случае нейтронной звезды к ним добавляется тяжелейший гравитационный пресс. Можно сказать, что нейтронная звезда представляет собой сплошное атомное ядро.
Чтобы сколько-нибудь наглядно вообразить чудовищную тесноту недр нейтронной звезды, вспомним, что размер атома составляет в среднем 10-8см, а размер атомного ядра – 10-13см. Таким образом, ядро меньше атома в целом в 100 тысяч раз, а поскольку практически вся масса атома сосредоточена в ядре, обычное вещество состоит почти что из пустоты. Для сравнения: на отрезке между Землей и Солнцем уляжется чуть больше 100 солнечных диаметров и почти 12 тысяч поперечников Земли, тогда как между атомным ядром и ближайшей электронной оболочкой (орбитой) без труда разместятся 100 тысяч атомных ядер. Если мы притиснем ядра вплотную друг к другу, плотность вещества вырастет в 1015раз и превысит плотность атомного ядра. Плотность нейтронной звезды оценивается в 5 х Ю15г/см3, а это, между прочим, несколько миллиардов тонн. При массе порядка двух солнечных масс подобный объект будет совершенной крохой – 10–15 километров в диаметре.
Структура нейтронной звезды весьма сложна и плохо изучена. Как ведет себя вещество при плотностях, превосходящих ядерную, можно только гадать. Предложено несколько моделей, описывающих строение нейтронных звезд, но все они оказываются в той или иной степени гипотетическими. Специалисты единодушны только в одном: нейтронная звезда имеет слоистую структуру. Поверхностный слой – это плазма, захватывающая прилетающие из космоса релятивистские частицы, которые двигаются по спиралям вдоль магнитных силовых линий и интенсивно излучают в рентгеновском диапазоне. Далее идет слой, имеющий кристаллическую структуру, а вслед за ним – слой из тяжелых ядер, нейтронов и электронов. Еще глубже располагаются плотно упакованные нейтроны, а в самом центре находится ядро из кварк-глюонной плазмы. По направлению от поверхности к центру плотность возрастает от 4,3 х 1011г/см3до 1,2 х Ю15г/см3.
Типичная модель нейтронной звезды представляет собой слоистую луковицу: внешняя кора из электронов и ядер, внутренняя кора (сверхтекучие нейтроны, ядра с избытком нейтронов и электроны), внешнее ядро (сверхтекучие нейтроны, сверхпроводящие протоны, нормальные электроны) и внутренне ядро, около которого стоит большой знак вопроса. По некоторым данным, нейтронная материя может там превращаться в кварковую. Как известно, нейтроны и протоны состоят из кварковых триплетов. При не очень высокой плотности кварки легко удерживаются внутри нейтрона энергией сильного взаимодействия, но в центре нейтронной звезды, где плотность зашкаливает, они получают возможность проникать в соседнюю частицу, то есть начинают свободно путешествовать внутри сверхплотной области. Кварковые триплеты разваливаются, и тогда такое вещество следует рассматривать как кварковый газ или жидкость. По расчетам теоретиков, кроме обычных и– и d-кварков (верхнего и нижнего, из которых построены нуклоны – протоны и нейтроны) в таком газе обнаруживаются в большом количестве так называемые s-кварки (странные), которые входят в состав тяжелых частиц – гиперонов. Поэтому такие кварковые звезды принято называть «странными». (О субъядерных частицах, в том числе о кварках и глюонах, подробно рассказывается в главе «Кирпичи мироздания».)
Итак, в соответствии с некоторыми моделями сначала рождается обычная нейтронная звезда, а после того как вещество в ее недрах совершит переход в кварковое состояние, она эволюционирует в кварковую звезду. Впрочем, полной ясности в этих вопросах нет.
Разумеется, обнаружить нейтронную звезду путем оптических наблюдений невозможно. Ядерные реакции внутри них не идут, поэтому излучение тоже отсутствует. Кроме того, площадь поверхности нейтронной звезды настолько мала, что ее видимый блеск будет иметь совершенно ничтожную величину. Но если она входит в двойную систему, то характер движения обычной звезды может выдать присутствие соседки-невидимки. Однако открытие пришло, как это часто бывает, совсем с другой, неожиданной стороны. Во второй половине прошлого века удалось зарегистрировать мощные источники радиоизлучения, интенсивность которого периодически менялась со временем. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка английского радиоастронома Энтони Хьюиша, случайно обнаружила совершенно необычный радиоисточник, который излучал в импульсном режиме строго периодически – каждые 1,33 секунды. Через короткое время нашли еще три источника с такими же короткими интервалами. Когда версия об искусственном происхождении сигналов отпала (поначалу заговорили о внеземных цивилизациях и даже возникла небольшая паника), остался единственный вариант – естественное происхождение радиоимпульсов. Загадочные радиоисточники получили название пульсаров и довольно скоро были отождествлены с быстро вращающимися нейтронными звездами.
Если взять звезду с параметрами нашего Солнца (диаметр около 1,4 миллиона километров и период обращения вокруг оси 25 суток) и спрессовать ее вещество в объеме с радиусом около 10 километров, то экваториальная скорость при условии сохранения массы чудовищно увеличится – примерно в 100 тысяч раз. А период вращения в миллиарды раз уменьшится и составит тысячные доли секунды. Правда, пульсар, найденный Белл, имел период заметно больший, но все равно это очень маленькая величина, совершенно нетипичная для небесных тел. Между прочим, пульсар в Крабовидной туманности совершает 30 оборотов в секунду, что уже весьма близко к расчетной величине, а пульсар в созвездии Лисички имеет период 0,00155 секунды. Понятно, что столь быстро вращаться могут только такие тела, линейные размеры которых измеряются десятками километров. А если это так, то перед нами не что иное, как нейтронные звезды.
С рекордно коротким периодом импульсов мы разобрались. Осталось выяснить, откуда берется столь мощное радиоизлучение. Верхний слой нейтронной звезды представляет собой плазму, пронизанную мощным магнитным полем. Заряженные частицы двигаются вдоль силовых линий и в конце концов оказываются в области магнитных полюсов, откуда выбрасываются узконаправленные пучки частиц с высокой энергией – так называемые джеты (от английского jet – «струя»). Стремительное вращение звезды придает вылетающим частицам дополнительную энергию. Из расчетов следует, что сжатие звезды приводит к увеличению ее магнитного поля, поэтому, зная его среднее значение у обычных звезд, можно вычислить, каким оно окажется у нейтронной звезды. Магнитное поле вырастет в 1012раз и составит колоссальную величину 108– 109тесла. Ну а поскольку магнитный полюс не обязан лежать на оси вращения (географический полюс Земли тоже не совпадает с магнитным) джет будет описывать конус. Мы увидим пульсар в тот момент, когда он «смотрит» прямо на Землю. В следующее мгновение он «отвернулся», а затем цикл повторяется вновь.
Впоследствии кроме радиопульсаров были обнаружены рентгеновские пульсары, а также источники мощного потока гамма-излучения (МПГ-источники) с той же самой строгой периодичностью. Рентгеновские пульсары являются компонентами тесных двойных систем. Вещество звезды-соседки перетекает на его поверхность под действием сил гравитации (это явление называется аккрецией), откуда и черпают энергию вылетающие фотоны. Однако излучать в рентгеновском диапазоне могут и одиночные нейтронные звезды. Совсем недавно, в 90-х годах прошлого века, были обнаружены семь радиотихих нейтронных звезд с экстремально большим отношением рентгеновского потока к оптическому. Сначала предположили, что во всем виноват механизм аккреции: хотя у одинокой нейтронной звезды нет собрата, она может захватывать межзвездный газ, в результате чего ее поверхность разогревается до миллиона градусов и начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Однако по ряду причин эта гипотеза не подтвердилась. Нейтронные звезды рождаются очень горячими (температура поверхности составляет порядка миллиарда градусов), а затем постепенно остывают, но даже через сотни тысяч лет после рождения ее температура может превышать миллион градусов. Поэтому, вероятнее всего, мы видим семерку молодых и горячих нейтронных звезд. Все они расположены сравнительно недалеко от Земли (примерно 120 парсек), из чего можно заключить, что Солнечная система в настоящее время проходит через область недавнего звездообразования (так называемый пояс Гулда).
Итак, на закате своей жизни звезда сбрасывает газовую оболочку, а ее ядро начинает стремительно сжиматься. Если его масса была меньше 1,4 массы Солнца, гравитационный коллапс остановится на стадии белого карлика. Если масса ядра находится в пределах 1,4–3,0 солнечной массы, оно сколлапсирует в нейтронную звезду. Если же ядро еще массивнее (более трех масс Солнца), возникнет провал в неведомое – загадочный объект под названием «черная дыра». Критическую величину в 1,4 массы Солнца принято называть пределом Чандрасекара, по имени индийского физика-теоретика, рассчитавшего этот параметр.
Под черной дырой следует понимать область пространства-времени, полностью закрытую для внешнего наблюдателя. Из-под гравитационной крышки, навсегда прихлопнувшей раздавленную звезду, не может выбраться наружу ни один сигнал, в том числе и луч света. Путь внутрь черной дыры – дорога в один конец: любой предмет, провалившийся в ее непостижимую пучину, исчезает бесследно. Поэтому черная дыра – очень меткий термин, отражающий самую суть этого невразумительного объекта. Вечное упокоение световых квантов на дне гравитационной могилы объясняется сравнительно просто. Чем массивнее тело, тем больше энергии надо затратить, чтобы оторваться от его поверхности. Чтобы разорвать путы земного притяжения (сойти с околоземной орбиты), космический корабль должен развить скорость 11,2 километра в секунду. Эта величина называется второй космической скоростью, или скоростью убегания. На поверхности Солнца она составит 700 километров в секунду, а вот скорость убегания для черной дыры равна скорости света, поэтому покинуть ее нутро не может ничто.
Неподготовленному читателю может показаться странным, что не такой уж безумно тяжелый объект (свыше трех солнечных масс) навсегда останавливает световые лучи. Почему в таком случае массивные звезды запросто излучают свет? Однако дело тут не столько в массе как таковой, а в том объеме, в который эта масса помещена. Если бы мы стали сжимать Землю, бережно сохраняя ее полную массу, то увидели бы, что вторая космическая скорость неуклонно растет, хотя масса планеты не меняется. Когда радиус Земли уменьшится до 9 мм, а плотность ее вещества вырастет до 1027г/см3(на 13 порядков больше плотности атомного ядра), скорость убегания на ее поверхности сравняется со скоростью света. После этого пресс можно спокойно отложить в сторону. Согласно общей теории относительности, Земля с этого момента начнет неудержимо коллапсировать самостоятельно, пока на ее месте не образуется микроскопическая черная дыра.
Термин «черная дыра» ввел в научный обиход американский физик Джон Уилер в 1969 году, хотя представление об исключительно массивных телах, не излучающих по этой причине света, возникло много раньше – еще в конце XVIII века. В 1783 году кембриджский преподаватель и астроном-любитель Джон Мичел предположил, что в природе должны существовать компактные и тяжелые небесные тела, на поверхности которых скорость убегания превысит скорость света. Численное значение радиуса, при котором скорость света уравнивается со второй космической скоростью, нетрудно рассчитать для любого тела, если известна его масса. Эту величину принято называть гравитационным радиусом (rg), и она легко вычисляется по формуле rg = 2GM/c2, где G – гравитационная постоянная, а с – скорость света. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 километрам, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Подобного рода сверхмассивные черные дыры, как считают астрофизики, встречаются в ядрах спиральных галактик.