Чтение онлайн

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.

Давайте попробуем представить себе сверхновую: всего за долю секунды этот галактический взрыв высвобождает больше энергии, чем Солнце произвело за всю свою жизнь. Но даже сверхновой требуется несколько недель для того, чтобы весь свет прорвался через расширяющуюся внешнюю оболочку звезды. В результате иногда сверхновую можно наблюдать месяцами. В условиях экстремальных температур и давлений в сверхновой образуется много новых, более тяжелых, чем железо, элементов. Кобальт, никель, медь и цинк выбрасываются в космос в виде газовых облаков при температуре порядка миллионов градусов, и там горение продолжается.

Эти ударные волны распространяются в межзвездном пространстве со скоростью десятков тысяч километров в секунду, а их фронт имеет сферическую форму. Фактически они представляют собой массивные ускорители космических частиц, и некоторые атомные ядра разгоняются ими почти до скорости света. Они дрейфуют по Млечному Пути в межзвездном пространстве вдоль силовых линий турбулентного магнитного поля, а исчезающе малая их часть обрушивается на Землю в виде потока частиц высокой энергии, которые мы называем космическими лучами.

Эти ударные волны мы можем наблюдать и сегодня. В 2009 году один из моих бывших студентов [70] обнаружил новый источник радиоизлучения в соседней с нами галактике М82. Мы увидели яркое кольцо, излучающее радиоволны, которое расширялось со скоростью 12 000 километров в секунду в течение нескольких месяцев [71] . Исходя из скорости и размера объекта, мы смогли сделать вывод, что там была звезда, которая взорвалась годом раньше, – то есть мы открыли сверхновую 2008iz. Она пряталась за громадным облаком пыли и потому оставалась скрытой для всех других телескопов. Это был чрезвычайно увлекательный процесс – переживать самому, непосредственно, космическую драму, похожую на те, которые мы видели только в научно-фантастических фильмах или о которых читали в сухой академической литературе.

Сегодня мы все еще можем наблюдать остатки яркой сверхновой 1054 года. Она оставила после себя эффектную Крабовидную туманность, расположенную в Рукаве Персея нашего Млечного Пути. Эта туманность выглядит как разноцветное облако дыма и доказывает, что древние хроники не были сказками.

За тысячелетие исследователи насчитали в нашем Млечном Пути всего около двадцати сверхновых. 11 ноября 1572 года одна из них стала настоящим сюрпризом для Тихо Браге и его сестры Софии. Поскольку они приняли это событие за рождение новой звезды, то и нарекли “младенца” соответствующе: Stella nova, что означает – “новая звезда”. В 1604 году Иоганн Кеплер также описал сверхновую. Отсутствие какого-либо параллакса показало, что этим источником света была не наша атмосфера, а какая-то звезда, находящаяся по крайней мере за Луной. Сверхновая “вбила очередной гвоздь” в аристотелевскую модель Вселенной, в которой предполагалось, что небесные сферы, в том числе и сфера неподвижных звезд, должны быть неизменными.

Сегодня астрономы постоянно открывают новые сверхновые, но – в других галактиках. Однако со дня на день в небе может появиться и новая сверхновая в нашем Млечном Пути, и мы сумеем увидеть ее невооруженным глазом. Вообще-то, время появиться следующей сверхновой уже пришло, хотя от этого события нас вполне может отделять целых сто лет.

Даже очень близкие сверхновые опасности для человечества не представляют. По большому счету мы должны быть благодарны этим звездным взрывам за образование наших планет и зарождение жизни на Земле, так как в последней фазе своего существования во время все более коротких циклов умирающая звезда производит важные элементы. Затем, при взрыве сверхновой, они выбрасываются в космос, где собираются в массивные пылевые облака, из которых могут образовываться новые поколения звезд и планет. Такое происхождение имеют все важные элементы на Земле. Мы должны понимать, что без смерти звезд никогда не возникла бы и земная жизнь. Даже красивой красной краски, которой покрашен мост Золотые Ворота в Сан-Франциско, не могло бы быть, поскольку она содержит оксид железа, а железо в конечном счете образовалось в результате взрыва сверхновой. Так что у нас есть немало того, за что можно поблагодарить умирающие звезды.

Существуют звезды, которые слишком массивны даже для того, чтобы стать нейтронными звездами. Представьте себе суперустойчивый стул в гостиной, который предназначен для вашего чрезвычайно тучного дяди Альфреда. С тех пор как его усадили на дешевый пластиковый складной стул и тот сломался, ему всегда подставляли этот массивный деревянный стул (как говорится, от греха подальше). Но даже самый устойчивый стул имеет свой предел прочности. Если дядя Альфред приведет с собой слона из цирка и усадит его на деревянный стул, тот тоже сломается.

В астрофизике белые карлики – это дешевые пластиковые стулья, а нейтронные звезды – устойчивые деревянные. Нейтронные звезды могут выдержать многое, но не все, потому что среди звезд есть настоящие “слоны”. Этим открытием мы обязаны не кому иному, как отцу американской атомной бомбы Роберту Оппенгеймеру, а также его коллегам и ученикам. Незадолго до Второй мировой войны они доказали, что как масса белых карликов ограничена неким пределом – так называемым пределом Чандрасекара [72] , так и масса нейтронных звезд имеет верхний предел массы. Согласно современным расчетам максимальная масса нейтронной звезды чуть больше двух-трех масс Солнца.

“Звездные слоны” во Вселенной – это звезды, вес которых более чем в двадцать пять раз превышает вес Солнца. Когда эти звезды взрываются, большая часть их массы выбрасывается в космос, а из ядра сначала образуется белый карлик, а затем нейтронная звезда. Внутри нее все больше и больше материи начинает стремительно продвигаться к центру, так что в какой-то момент и нейтронная звезда начинает коллапсировать. Как только этот процесс пойдет, всякое сопротивление исчезнет. Мы не знаем никакой силы, способной выдержать давление такой тяжелой звезды, – ее коллапс неизбежен. Звезда будет постоянно сжиматься и становиться все меньше и меньше, пока в какой-то момент вся масса не сосредоточится в одной точке с бесконечной плотностью. И таким способом формируется один из самых замечательных объектов во Вселенной – черная дыра. (Естественно, во времена Оппенгеймера она еще так не называлась.)

Даже самого Альберта Эйнштейна испугала мысль о таком объекте. Всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд рассчитал структуру пространства-времени для массы, сосредоточенной в одной точке, и свойства такой системы оказались экстремальными.

Шварцшильд – это пионер современной астрофизики. Когда в 1914 году разразилась Первая мировая война, он был директором Потсдамской астрофизической обсерватории. В отличие от Артура Эддингтона, пацифиста и поклонника Эйнштейна, Шварцшильд, происходивший из еврейской семьи, принадлежавшей к высшему среднему классу, считал своим долгом послужить стране и потому пошел добровольцем в немецкую артиллерию. Это было фатальное решение. После двух лет, проведенных на фронте, он заболел и умер.

Но даже в боевых условиях Шварцшильд умудрился написать две научные статьи мирового уровня [73] . В одной из них он вычислил кривизну пространства-времени вокруг точечной массы. При этом Шварцшильд стал первым, кто нашел точное решение уравнений общей теории относительности в конкретном случае [74] . Этот свой результат он изложил в статье и с гордостью отправил ее Эйнштейну. Изящество идеи поразило великого физика, и он, ответив: “Я был ошеломлен тем, что истинное решение этой проблемы можно выразить столь легко”, представил результаты Шварцшильда на ближайшем заседании Прусской академии наук [75] .