От чёрных облаков к чёрным дырам

Нарликар Джаиант

А есть ли какие-то свидетельства взрыва звезды, скажем, в виде неразорвавшегося остатка, т.е. внутреннего ядра? Действительно, звезда видна, но не внутри остатка сверхновой, а снаружи. При этом оказывается, что звезда улетает от остатка сверхновой с необычно большой скоростью. Может ли это быть той звездой, чья внешняя оболочка сброшена в результате взрыва сверхновой? Возможное объяснение такому ходу событий даёт аналогия с выстрелом из ружья. Точно так же, как ружьё испытывает отдачу при выстреле, так и упомянутая звезда после сбрасывания оболочки получила отдачу в противоположном направлении. На рис. 55 показано, каким образом возникает большая скорость отдачи при взрыве асимметричной продолговатой оболочки. Измеренная скорость звезды укладывается в рамки гипотезы отдачи.

Рис. 55.

В результате несимметричного взрыва сверхновой (а) оболочка может оказаться вдали от уцелевшего ядра, которое за счёт эффекта отдачи приобретает большую скорость (б)

Итак, есть убедительные доказательства связи образования новых звёзд с предшествующим взрывом сверхновой, это придаёт дополнительную силу гипотезе, что образование звёзд в ГМО вызывается взрывами звёзд предыдущего поколения. Таким образом; наша история жизни звезды совершила полный круг, связав разрушение одной звезды с рождением другой!

Но кое-что может случиться в жизни звезды даже после её кажущегося разрушения во взрыве сверхновой.

Глава 9 СВЕРХПЛОТНЫЕ ЗВЁЗДЫ

Масса Солнца равна 2•10³⁰ кг, а его радиус 7•10⁸ м. Если бы это был однородный шар из вещества, его средняя плотность равнялась бы 1,4•10³ кг/м³, т.е. примерно на 40% больше плотности воды. Конечно, Солнце неоднородно, и плотность в нём меняется от очень малого значения, меньшего чем десять миллионных частей плотности воды на внешней поверхности (в фотосфере), до значения, в сотни раз большего плотности воды в центре.

Однако существуют звёзды, значительно более компактные и значительно более плотные, чем Солнце. Представим, что Солнце сжато со всех сторон и превратилось в шар размером лишь в одну сотую теперешнего. Плотность Солнца при этом увеличится в миллион раз. Такие звёзды являются белыми карликами, и помещаются они в левой нижней части диаграммы Г—Р. Как образуются эти звёзды?

Если рассмотреть ещё более экстремальные ситуации, то оказывается, что существуют звёзды, практически невидимые в обычном свете и потому не помещающиеся на диаграмме Г—Р, причём радиус их составляет не более чем несколько десятков километров! Если сжать Солнце так, чтобы его радиус стал равным 7 км, т. е. уменьшить его размеры в сто тысяч раз, плотность Солнца в миллион миллиардов раз превысит плотность воды. Такие сверхплотные звёзды, получившие название нейтронных звёзд могут быть обнаружены по. другим формам излучения. Посмотрим, как и при каких условиях в жизни звезды возникают такие плотные фазы. БЕЛЫЕ КАРЛИКИ

В гл. 8 мы обнаружили, что если звезда поначалу не слишком массивна, скажем, не более чем в 6 раз массивнее Солнца, она не должна подвергаться болезненному превращению в сверхновую. Вместо этого она будет сбрасывать большую часть своей массы в небольших взрывах (это проявляется в существовании планетарных туманностей) и в конце концов будет иметь массу, не слишком отличающуюся от массы Солнца. Так как на этой стадии остающаяся часть представляет внутреннее горячее ядро исходной звезды, она имеет высокую поверхностную температуру, но визуально очень слаба; в результате звезда перемещается в левый нижний угол диаграммы Г—Р в область, занятую белыми карликами.

Но каким образом теперь звезда поддерживает внутреннее равновесие?

Напомним, что до сих пор звезде было необходимо генерировать термоядерную энергию, с тем чтобы температура в центральной части была бы достаточно высока и возникали большие давления. В противном случае звезда начинает сжиматься под действием собственного тяготения. Но поскольку на стадии белых карликов ядерные реакторы внутри звезды уже больше не функционируют, как же тогда поддерживается внутреннее равновесие?

Ответ на этот вопрос совершенно неожиданный. Заметим прежде всего, что то, что стало белым карликом, когда-то было сердцевиной более массивной звезды. Поэтому,

средняя плотность белого карлика значительно выше, чем у обычной звезды на главной последовательности. Действительно, как было замечено в начале главы, плотности, в миллион раз большие, чем у воды, вполне обычны для белого карлика, так что в 1 л его объёма содержится тысяча тонн вещества!

Когда вещество упаковано столь плотно, с ним происходит необычная вещь: оно становится вырожденным.

Чтобы понять смысл термина, нужно ещё раз вернуться к квантовой теории, позволяющей установить пределы того, насколько плотно можно упаковать вещество. Применим эти результаты к электронам в звезде, так как именно эти частицы обеспечивают появление нового типа внутреннего давления, поддерживающего звезду.

До сих пор на электроны в звезде обращалось мало внимания, поскольку нас главным образом интересовало, как соединяются ядра атомов звезды, выделяя при этом энергию. Но в атоме наряду с ядром есть и электроны. Атом в целом электрически нейтрален, так как в нём имеется столько же отрицательно заряженных электронов на внешней оболочке, сколько положительно заряженных протонов содержится в ядре. При высоких температурах эти электроны отрываются от своих ядер (см. гл. 5). Свободные электроны в белом карлике тоже сильно сжаты, и они первыми из всех остальных составных частей материи испытывают влияние квантовых эффектов.

Дело в том, что правило, известное как «принцип запрета Паули» (по имени Вольфганга Паули, открывшего это правило), утверждает, что в любой данной области не могут существовать два электрона, находящиеся в одном и том же состоянии. Это правило совместно с утверждением квантовой теории, что электроны не «точечные» частицы, а занимают небольшой объём, позволяет прийти к заключению, что невозможно сколь угодно плотно упаковать группу электронов.

Состояние электрона определяется его энергией, импульсом и состоянием собственного вращения (спином) (рис. 56). Импульс есть произведение массы на скорость электрона; он указывает, насколько быстро и в каком направлении движется электрон. Состояние вращения (спин) указывает на то, как электрон вращается вокруг своей оси. Число возможных электронных состояний, как в состоянии с наименьшей энергией, так и в любом состоянии с большей энергией ограничено. Принцип Паули утверждает, что в любом данном объёме нельзя поместить слишком много электронов, находящихся в одном состоянии. Так, если мы начнём упаковывать их, начав с состояния с наименьшей энергией, скоро обнаружится, что для помещения дополнительных электронов нужно перейти к состояниям со все большей энергией. Можно упаковать лишь строго ограниченное число электронов с энергией, не превышающей любое заданное значение.

Рис. 56. У электрона есть два дискретных спиновых состояния. Если экспериментально измерять угловой момент вращающегося электрона в любом заданном направлении, получатся два возможных значения: +h/4 и -h/4 где h постоянная Планка

Таким образом, в белом карлике имеется коллектив электронов с разными энергиями, начиная с наинизшей. Смесь этих электронов с разными энергиями, импульсами и спинами порождает собственное давление, которое препятствует любому дальнейшему сжатию вещества. В условиях, когда заполнены все низшие энергетические состояния, говорят, что коллектив электронов стал вырожденным (рис. 57).

Рис. 57. Явление вырождения электронов Все энергетические состояния в заштрихованной области вплоть до уровня Е полностью заняты. Всякое добавление новых электронов возможно только при энергиях, больших Е (Е₁— наименьшая разрешённая энергия)

Далее, чем ниже общая температура электронного газа, тем быстрее этот газ при сжатии становится вырожденным. Следовательно, давление вырождения может прийти на помощь сжимающейся звезде лишь в том случае, если электронный газ в ней достаточно холодный, чтобы стать вырожденным.