Чтение онлайн

Интерес к эффектам и предсказаниям общей теории относительности возродился в конце 1960-х годов. Подобное оживление было вызвано прежде всего тем, что астрофизики стали лучше понимать процессы эволюции звёзд. Как станет ясно из двух последующих глав, в результате «смерти» звезды гравитационное поле может стать настолько сильным, что пространство-время там «свернется» и звезда исчезнет из нашей Вселенной. Останется то, что мы называем чёрной дырой. Кривизна пространства-времени вокруг чёрной дыры настолько велика, что там можно даже указать место, где время остановится! Теперь гравитационное красное смещение господствует над всем - оно уже не ничтожно слабый эффект!

Гравитационное красное смещение - это всегда замедление течения времени. Дело в том, что гравитация всегда проявляет себя как притяжение. До сих пор никогда не наблюдалось гравитационное отталкивание (антигравитация). Однако, рассматривая ниже вращающуюся чёрную дыру, мы обнаружим, что теоретически возможно путешествие сквозь такую чёрную дыру в области пространства-времени, где тяготение отрицательно. В этом мире антигравитации время течёт быстрее и часы спешат. Антигравитация - вот подарок для любителей спешить!

6

ЗВЁЗДЫ И ИХ ЭВОЛЮЦИЯ

Когда мы глядим ночью на звёздное небо, оно кажется нам навеки застывшим и неизменным. Даже для самого внимательного наблюдателя сочетания звёзд, которые мы называем созвездиями, кажутся сегодня точно такими же, какими они были тысячелетия назад. Те звёзды, которые светили ярче всех, самими яркими и остались, а едва видные звёзды так и остались самыми слабыми. Однако самое простое размышление показывает, что кажущаяся неизменность неба - всего лишь иллюзия. Мы можем наблюдать звёзды только потому, что они испускают свет. А испуская свет, они теряют энергию. Истощение их энергетических ресурсов должно приводить к изменениям в недрах звёзд. Иными словами, звёзды должны эволюционировать.

Представим себе какое-нибудь маленькое насекомое в лесу. Пусть оно наделено достаточно проницательным умом, но продолжительность его жизни невелика - скажем, оно живет всего 24 ч. Глядя вокруг себя, это насекомое видит огромные деревья, вздымающиеся высоко вверх. Оно видит зеленые побеги, пробивающиеся из влажной почвы, и отдельные гниющие стволы, в беспорядке валяющиеся на земле. Лес представляется этому насекомому вечным и неизменным. За всю свою жизнь (24 ч!) наше насекомое не обнаружит ни одного свидетельства, которое противоречило бы его первоначальному впечатлению. Однако, призвав на помощь разум, оно пришло бы к замечательным выводам. Может быть, лес изменяется? Может быть, тонкие зеленые побеги подрастут и станут деревьями? Может быть, самые старые деревья в конце концов падают на землю, превращаются в гниющие стволы и удобряют почву для будущих поколений деревьев? Несмотря на кажущуюся неизменность леса, это насекомое способно обнаружить существование жизненного цикла окружающих деревьев.

Чтобы выявить существование жизненного цикла звёзд, астрономы должны начать с вопроса: что такое звёзды? Глядя на небо, они видят яркие звёзды и звёзды слабые, звёзды голубоватые и красноватые. Астрономам отсюда сразу же становится ясно, что первое впечатление может оказаться совершенно неверным. Например, вы смотрите на яркую звезду в небе, а ведь вы не можете узнать, насколько ярка эта звезда на самом деле. Может быть, это исключительно яркая звезда, находящаяся очень далеко от Земли, но может быть, что это слабая звезда, только она случайно оказалась поблизости. Кажущаяся яркость звёзд не говорит астрономам ничего существенного о внутренних свойствах этих звёзд. Астроном предпочел бы знать абсолютную яркость звезды. Абсолютная яркость показывает, насколько яркой является звезда в действительности, т. е. сколько же энергии эта звезда испускает в пространство.

Видимая и абсолютная яркости звезды связаны между собой через расстояние до звезды. Чтобы понять причину этого, вспомним вид уличных фонарей темной ночью. Одного только субъективного ощущения яркости фонаря для ваших глаз вам недостаточно, чтобы сказать, насколько ярко светит этот фонарь на самом деле. Это может быть 100-ваттная лампочка поблизости или 500-ваттная - вдали от вас. Но если вы знаете расстояние до фонаря, можно прикинуть, насколько ярко светит фонарь в действительности. Существует очень простая связь между видимой яркостью, абсолютной яркостью и расстоянием. При известных видимой яркости и расстоянии всегда можно найти его действительную, или абсолютную, яркость. И эта абсолютная яркость укажет вам основное свойство источника света! Она укажет, какую мощность в ваттах лампа (или звезда) излучает в действительности.

Начиная с середины XIX в. астрономы усовершенствовали в конце концов технику измерения параллакса до такой степени, что смогли измерить расстояния до многих звёзд. Как говорилось в гл. 1, нахождение параллакса - это прямой, хотя и трудоёмкий способ непосредственного измерения расстояния до звёзд. В результате астрономы, зная расстояния до звёзд, без труда рассчитали их абсолютную яркость. Наконец-то они выяснили, насколько ярки звёзды на самом деле!

Выражать абсолютную яркость, или светимость, звезды удобно, если указать, насколько эта звезда ярче или слабее, чем Солнце. Значит, светимость Солнца принимается за единицу: Солнце светит с абсолютной яркостью в «1 Солнце». Многие звёзды излучают лишь одну сотую того света, который даёт Солнце. Их светимость равна приблизительно «1/100 Солнца». Напротив, многие звёзды излучают в тысячи раз больше света, чем наше солнце. Например, яркая голубая звезда Ригель в созвездии Ориона обладает светимостью 50000 Солнц. Выяснилось, что Ригель - это одна из самых ярких (в абсолютном смысле) звёзд, известных в астрономии.

РИС. 6.1. Спектр. Когда белый свет проходит сквозь призму, он разбивается на лучи всех цветов радуги. Такое разложение называется спектром; в нём часто содержатся тонкие чёрные линии, вызванные химическими элементами, которые содержатся в источнике света.

Кроме истинной светимости звёзд астрономы хотели бы ещё знать их температуру, химический состав, а также количество вещества, из которого они состоят. Решающие шаги в этом направлении были сделаны в результате ряда замечательных открытий, начавшихся также с середины XIX в. Со времен Исаака Ньютона было известно, что белый свет, проходя сквозь стеклянную призму, разбивается на лучи всех цветов радуги. Такая цветовая радуга называется спектром (см. рис. 6.1). В 1815 г. немецкий оптик Йозеф Фраунгофер заметил, что в спектре Солнца на яркие цвета радуги накладываются слабые темные линии. Истинная природа этих спектральных линий оставалась неизвестной вплоть до 60-х гл. XIX в., когда выяснилось, что они обусловлены различными химическими веществами, содержащимися в источнике света. Трудами великих физиков (Макса Планка, Нильса Бора и др.) было показано, что спектральные линии вызываются переходами электронов с орбиты на орбиту внутри атома. При таких переходах электроны поглощают или испускают свет строго определённых длин волн. Эти процессы и определяют картину спектральных линий. Разные химические вещества состоят из атомов разных типов и дают поэтому различные и притом вполне определённые системы спектральных линий. Иными словами, химические элементы в источнике света оставляют свои «отпечатки пальцев» на испускаемом им излучении в виде характерных спектральных линий. Отождествляя эти линии, физик или астроном может определить химический состав источника света.

Исследуя спектры звёзд, астрономы в конце концов смогли выяснить, из чего состоят эти звёзды. На основании многолетних исследований теперь известно, что звёзды состоят в основном из водорода и гелия. От 50 до 80% вещества звёзд -это водород, легчайший из элементов. А вместе с гелием водород составляет от 96 до 99% массы большинства звёзд. Значит, на более тяжелые элементы остаётся в общей сложности менее 4% массы. Из этих элементов наиболее распространены кислород, азот, углерод, неон, магний, аргон, хлор, кремний, сера и железо.

Хотя все звёзды, грубо говоря, состоят из одних и тех же химических элементов, их спектры сильно различаются. Например, на рис. 6.2 приведены спектры трёх типичных звёзд. Они имеют примерно одинаковый химический состав, и всё же в спектрах видны совсем разные сочетания спектральных линий, поскольку весьма различны температуры этих трёх звёзд. Температура атмосферы звезды особенно сильно сказывается на том, какие именно спектральные линии каких элементов будут наиболее интенсивными. Возьмем очень горячую звезду, температура на поверхности которой равна 25 000 градусов по абсолютной шкале (т. е. 25 000 К). Газы в атмосфере этой звезды настолько раскалены, что у многих атомов оторваны их внешние электроны. Такие атомы не могут испускать спектральных линий в видимой области спектра. Точнее говоря, лишь гелий способен удержать при таких температурах все свои электроны. Следовательно, те звёзды, в спектрах которых преобладают линии гелия, должны обладать поверхностной температурой около 25 000 К. Другой пример ~ холодная звезда, температура поверхности которой равна всего 3000 К. При столь низких температурах атомы могут объединяться в молекулы. В спектрах таких звёзд преобладают линии молекул окиси титана, хотя титан - довольно редкий элемент. Наконец, в спектре Солнца имеется много линий таких металлов, как кальций и магний, а также линии кремния. Астрономы отсюда заключили, что температура на поверхности Солнца должна быть около 6000 К, поскольку эти температурные условия наиболее подходящи (там «не слишком жарко» и «не слишком холодно») для образования спектральных линий этих элементов.

РИС. 6.2. Спектры звёзд Три звезды - Альфа Малого Пса, Тау Скорпиона и Бета Пегаса - обладают почти одинаковым химическим составом. Вид их спектров очень различен ввиду совершенно разных поверхностных температур этих трёх звёзд. (Обсерватория им. Хейла.)

Так, изучая спектры звёзд, астрономы выяснили, из чего состоят эти звёзды. Одновременно - и это, может быть, ещё важнее - удалось определить температуры поверхностей звёзд. Так астрономы узнали, сколь горячи звёзды.