Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы
Шрифт:
Вообразите себе звезду в виде воздушного шара, наполненного горячим воздухом. Из-за того, что воздух нагрет, шар остается надутым, но когда мы перестаем нагревать находящийся внутри него воздух, он остывает, давление падает – и шар сдувается. Звезды заканчивают свою жизнь примерно так же. Как только их топливо сгорает, они погибают. Как и когда они “умрут”, зависит от их массы. Легкие звезды – а их подавляющее большинство – живут долго и под конец жизни истощаются и начинают тлеть.
Продолжительность жизни нашего Солнца можно охарактеризовать как среднюю. Если бы оно начало вдруг коллапсировать, то “на старте” процесса еще могло бы включить свой “форсаж”. В сердце звезды – горячем ядре – скапливается продукт ядерного синтеза – гелий. При высоком собственном давлении взрывающейся звезды температура в какой-то момент снова начнет расти, гелий превратится в углерод – и при этом высвободятся последние запасы энергии. В результате внешняя оболочка распухнет. Незадолго до своей гибели Солнце раздуется, превратится в красного гиганта
Звезды с массой больше массы нашего Солнца в последние моменты своей жизни выбрасывают в космос газ и плазму. В результате этого образуются принимающие удивительные формы планетарные туманности, которые при освещении их изнутри светом умирающих звезд окрашиваются в невероятные цвета. Это зрелище длится всего “одно мгновение космического ока”: в течение нескольких тысяч лет планетарные туманности исчезают. Такое их название может ввести в заблуждение, поскольку эти объекты не имеют с планетами ничего общего, но в XVIII веке, когда их обнаружили с помощью телескопов того времени, они выглядели, как далекие планеты, состоящие из газа.
В центре умирающих звезд скапливается спрессованный продукт ядерного синтеза, на который давит весь вес сгоревшей звезды. Это давление становится настолько большим, что атомы все сильнее прижимаются друг к другу – до тех пор, пока между ними не останется пустого места и они не выстроятся, так сказать, “плечом к плечу”. Давление электронов этих атомов будет препятствовать дальнейшему коллапсу звезды, поскольку электроны, которые вращаются вокруг отдельных атомных ядер, являются фермионами. Фермионы – физические “одиночки”: фермион не может “делить ложе” ни с одним другим фермионом. Когда ядро звезды слишком сожмется, давление фермионов станет противодействовать давлению гравитации и тем самым предотвратит полный коллапс выгоревшего ядра.
Если внешние оболочки звезды уже сброшены, то все, что остается от звезды, – это маленькое, плотно упакованное, ярко светящееся ядро из углерода: белый карлик размером с Землю, но тяжелый, как Солнце. Чайная ложка вещества, из которого состоит белый карлик (в каковой через несколько миллиардов лет превратится и наше Солнце), весит около девяти тонн – примерно как самосвал. Поверхность карлика остается очень горячей и продолжает излучать тепловую энергию в космос в течение очень долгого времени, но в конце концов мертвая звезда превратится в холодный кристалл углерода идеальной сферической формы – гигантский космический алмаз.
В этом процессе играют роль различные квантово-механические эффекты, рассчитанные индийским физиком Субрахманьяном Чандрасекаром, который в 1930 году, в возрасте всего девятнадцати лет, отправился на корабле в Англию, чтобы продолжить в Кембридже начатое в Индии изучение физики. В пути у него было много свободного времени, и он рассчитал максимальную массу, которой может достичь белый карлик, получив для нее значение, равное 1,44 массы Солнца.
А что произойдет с гораздо более тяжелой, чем наше Солнце, звездой, давление в которой поднимется до такой степени, что станет буквально невыносимым? Звезда, в восемь раз более тяжелая, чем Солнце, сможет подключить больше дожигателей для предотвращения своего коллапса. Ядро такого гигантского солнца станет выгорать слой за слоем (подобно очистке луковицы от слоев шелухи), и с каждым сгоревшим слоем будет высвобождаться дополнительная энергия. Чем ближе оболочка к центру, тем горячее она становится, сжигая окружающее ее отработанное вещество предыдущего слоя, – в результате чего образуются все более тяжелые атомные ядра. Водород превращается в гелий, гелий превращается в углерод, углерод и гелий превращаются в кислород, кислород превращается в кремний, а кремний превращается в железо. Каждый последующий этап процесса выжигания протекает быстрее, чем предыдущий. Чтобы сжечь гелий и превратить его в углерод, требуется миллион лет, а сжигание всего кремния с образованием железа занимает лишь несколько дней.
И этим все кончается! С энергетической точки зрения железо имеет самое компактное атомное ядро из всех. Если давление поднимется настолько, что железо будет плавиться с образованием новых элементов, то в этом процессе энергия будет уже не выделяться, а поглощаться, и, значит, потребуется закачка дополнительной энергии. И внезапно процессы, при которых все большее и большее количество энергии выжималось из атомов путем простого увеличения давления, перестают работать, вместо нагрева атомов происходит их охлаждение, и давление начинает снижаться. Последняя шаткая опора, поддерживающая ослабевшую старую звезду, выбивается из-под ее ног, и она встречает свою смерть. В течение всего нескольких минут ядро взрывается, так как умирающая звезда больше не может выдерживать давление собственной гравитации.
Внутреннее давление в “звездном трупе” увеличивается до такой невообразимой степени, что разрушает даже плотно упакованные атомы, то есть ядро такой звезды становится тяжелее верхнего предела для массы белых карликов, рассчитанного Чандрасекаром. Но есть еще одна – последняя – остановка перед неизбежным и окончательным коллапсом. Электроны, обычно находящиеся на определенных расстояниях от атомных ядер, теперь вдавливаются в них и сливаются с протонами, превращая их в нейтроны, – и тогда внешняя оболочка атома сливается с ядром, в результате чего размер этих атомных остатков становится в 10 000 раз
Представим себе атом с электронной оболочкой размером со стадион “Рейн Энерги”, где играет моя любимая, но не очень успешная футбольная команда клуба “Кёльн”. Размер ядра в нем будет примерно соответствовать пятицентовой монете, положенной на центральную отметку поля, а это значит, что известная нам материя, состоящая из атомов, содержит огромные пустоты. Если атомы звезды превращаются в чистые нейтроны, то звезда сжимается и становится нейтронной звездой. Масштабы коллапса можно представить, если вообразить, что весь стадион стягивается в пространство, занимаемое маленькой монеткой. В нейтронной звезде масса, превышающая массу Солнца более чем в полтора раза, сжимается в сферу диаметром всего 24 километра. Плотность в ней невероятно высока. Пять миллилитров вещества нейтронной звезды будут весить 2,5 миллиарда тонн. Это эквивалентно тому, что массу, в 8 000 раз превышающую массу Кёльнского собора, мы поместим в одну чайную ложку.
Долгое время нейтронные звезды казались дикими фантазиями, но все изменилось 28 ноября 1967 года, когда Джоселин Белл и ее научный руководитель Энтони Хьюиш обнаружили в Радиоастрономической обсерватории Малларда в Кембридже странный радиосигнал [67] . Это открытие имело историческое значение. Сигнал состоял из многих коротких импульсов, которые приходили на Землю через определенные одинаковые промежутки времени. Объект был похож на космические тикающие часы, поэтому его назвали пульсаром. Сначала оба ученых немного опешили от точности, с которой воспроизводился интервал между импульсами, и полушутя назвали радиообъект LGM, что расшифровывалось как “маленькие зеленые человечки”. Вскоре, однако, выяснилось, что обнаруженный ими объект с огромной скоростью вращался вокруг своей оси и был чрезвычайно маленьким и необычайно тяжелым. На самом деле это была нейтронная звезда – мертвая звезда, тяжелая, как Солнце, и такая же большая, как Нордлингер Рис – старый кратер в Баварии, образовавшийся при падении метеорита. Не каждая нейтронная звезда становится пульсаром, но каждый пульсар – нейтронная звезда. Подобно космическому маяку, он посылает свои радиосигналы в космос в виде двух лучей света, которые достигают нас через равные промежутки времени и вызывают в небе вспышки “радиомолний”. Поскольку объект очень стабилен и массивен, он функционирует как гигантское балансирное колесо. Он “тикает” точнее любых атомных часов. Из-за необычайной стабильности пульсаров и воспроизводимости сигналов от них мы можем использовать пульсары в многочисленных экспериментах по проверке теории относительности [68] . Известным примером является двойной пульсар PSR J0737–3039 [69] , который на самом деле представляет собой пару пульсаров, обращающихся друг относительно друга. Прецессия эллиптической орбиты, подобная прецессии, которую мы наблюдали у Меркурия и из-за которой сердце Эйнштейна чуть не выпрыгнуло из груди, здесь происходит в 10 000 раз быстрее, и астрофизики рассчитали ее с точностью до пятого знака после запятой.
67
Точнее, сам сигнал Джоселин Белл обнаружила 6 августа 1967 г., а к 28 ноября он был надежно разделен на серию импульсов с периодом 1,337 с. – Прим. науч. ред.
68
Ingrid H. Stairs. Testing General Relativity with Pulsar Timing. //Living Reviews in Relativity 6 (2003): 5. https//ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003Lrr…..6….5S.
69
M. Kramer and I. H. Stairs. The Double Pulsar. // Annual Review of Astronomy and Astrophysics 46 (2008): 541–72. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008 ARA&A..46..541K.
Превращение в нейтронную звезду – это впечатляющее событие, происходящее со звездами, масса которых более чем в восемь раз превышает массу Солнца. Такое сверхсолнце умирает эффектнее, чем это сделала бы наша собственная звезда – Солнце. Сгорание сверхсолнца сопровождается галактическим фейерверком. Под давлением коллапсирующей массы в ядре оно (ядро) внезапно превращается в нейтронную звезду, а остальная часть звезды взрывается со сверхзвуковой скоростью. Электроны и протоны мгновенно соединяются в атомном ядре, испуская большое количество легчайших нейтрино, которые еще больше увеличивают энергию внешней оболочки звезды. После этого разрушительная ударная волна, пронесясь через всю звезду и устремившись наружу, в конце концов разрывает звезду на части. Астрономы называют такой галактический взрыв сверхновой. Она вспыхивает в космосе, и это очень впечатляющее зрелище. Именно ему могли бы поразиться как коренные американцы в каньоне Чако, так и жители многих других уголков земного шара, наблюдавшие в тот момент звездное небо.