Таким образом, в природе наблюдается некоторая преемственность: массивные звезды первого поколения гибнут, обогащая межзвездное пространство тяжелыми элементами, служащими 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. Все, что нас окружает на Земле, да и сама Земля - это звездное вещество, доставшееся нам в наследство.
Новые и сверхновые
Вспышка сверхновой - довольно редкое явление. За последнюю тысячу лет в нашей галактике вспыхнуло всего три сверхновые - в 1054, 1572 и в 1604 годах. 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.
Правда, "редкость" - понятие очень подозрительное, если иметь в виду астрономию и космологию. Редкие взрывы сверхновых сегодня обнаруживают все чаще и чаще. В этом ничего нет странного. Вселенная ведь очень большая, и если некоторое событие повторяется, то таких повторов тоже будет много. Галактик насчитывается десятки миллиардов, и где-нибудь сверхновая обязательно вспыхивает. А наблюдательная техника-то становится все совершеннее!
Выделяют два основных типа сверхновых в зависимости от характера спектра: если в спектре вспышки нет линий водорода, сверхновую относят к типу I, а если водород есть - к типу II. Сверхновые типа I - старые, не очень массивные звезды, вспыхивающие как в эллиптических, так и в спиральных галактиках. Мощность излучения сверхновых этого типа особенно велика. Сверхновые типа II связывают с молодыми массивными звездами, быстро прошедшими все стадии эволюции. Их обнаруживают в рукавах спиральных галактик, где продолжают идти процессы звездообразования, а в эллиптических галактиках они не вспыхивают никогда.
Естественная логика говорит нам: если есть "сверхновые" то должны быть просто "новые". И да, они действительно существуют. Они также вспыхивают, и вспыхивают потому, что взрываются. Новые звезды вспыхивают сравнительно часто (около 100 вспышек в год только в нашей галактике), мощность излучения этих звезд в тысячи и десятки тысяч раз меньше. Все без исключения новые являются тесными двойными системами, как правило, состоящими из белого карлика и нормальной звезды. Если в такой новой звезде что-то взрывается, то это обычно белый карлик. 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. Принято считать, что новые теряют 1/100 000 своей массы, тогда как у сверхновых типа I это где-то между 1/10 и 9/10 массы, а у сверхновых типа II - от 1/100 до 1/10 массы. По прошествии определенного времени новая звезда может вспыхнуть повторно (иногда это происходит скоро даже по человеческим меркам - через несколько десятилетий). Сверхновые звезды повторно не зажигаются никогда.
При соприкосновении двух кусочков металла в космосе они сольются друг с другом, если на их поверхности не будет окислов. На Земле такого не происходит, потому что в атмосфере на поверхности сразу образуются оксиды.
Новые, сверхновые, а теперь - нейтронные
После катастрофического взрыва массивной сверхновой остается крохотный сгусток чудовищной плотности - нейтронная звезда. Белый карлик состоит из вырожденного электронного газа, который образуется, когда атомы вдвигаются в другие атомы и их электроны становятся общими. С нейтронной звездой - еще хуже! Гравитационное сжатие при взрыве сверхновой оказывается столь сильным, что части атомов вдвигаются друг в друга. А из чего состоит атом? Из ядра, в котором протоны, и из оболочек, на которых сидят электроны. Протоны, как известно, положительно заряжены, электроны - отрицательно. Так вот из-за чудовищной гравитации электроны сгоняются со своих орбит и "втискиваются" в протоны. В результате этих теснейших отношений получаются нейтроны - тяжелые, нейтральные в отношении электрического заряда частицы. Кроме нейтронов в нейтронной звезде почти ничего нет (только немножко протонов и электронов). Из-за этого масса нейтронной звезды очень велика. Кроме того, в нейтронной звезде чрезвычайно тесно. Давление в центре достигает огромных значений - может в несколько раз превышать плотность атомного ядра. Можно сказать, что нейтронная звезда представляет собой сплошное атомное ядро, причем изрядной даже по ядерным меркам плотности.
Плотность нейтронной звезды оценивается в 5 × 1015 г/см. Что это значит? Это значит, что кубик вещества нейтронной звезды со стороной 1 см весит несколько миллиардов тонн! Или скажем иначе: при массе в два Солнца нейтронная звезда будет иметь размеры всего лишь 10–15 км в диаметре! Такая сверхувесистая малютка.
Структура нейтронной звезды сложна и плохо изучена. Как ведет себя вещество при плотностях, превосходящих ядерную? Есть несколько моделей, описывающих строение нейтронных звезд, но общепризнанной и стопроцентно достоверной картины нет. В чем точно уверены ученые, так это в том, что нейтронная звезда похожа по структуре на слоеный пирог. Поверхностный слой - это плазма, захватывающая прилетающие из космоса частицы. 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 так называемой кварк-глюонной плазмы. По направлению от поверхности к центру плотность возрастает от 4,3 × 1011 г/см до 1,2 × 1015 г/см.
Нерешенным остается вопрос о внутреннем ядре. Никто точно не знает, что его составляет, как это "нечто" устроено и что вообще такое кварк-глюонная плазма. Кварки - это субъядерные частицы. Они появляются в современных теориях элементарных частиц. Из кварков составляются частицы (протоны, нейтроны), из которых состоят сами атомы. Греческое слово "атом", означающее "неделимый", здесь терпит фиаско. Правда, с понятием "состоять из" здесь тоже большие проблемы. Вспомним соотношение неопределенностей Гейзенберга из предыдущей главы: в квантовом мире элементарных частиц все одновременно во всем и каждое в каждом другом.
Земная сила тяжести сжимает человеческий позвоночник, поэтому, когда астронавт попадает в космос, он подрастает приблизительно на 5,08 см. В то же самое время его сердце сжимается, уменьшаясь в объеме, и начинает качать меньше крови. Это ответная реакция тела на уменьшение давления.
Так вот, известно, что нейтроны и протоны "состоят" из кварковых триплетов - по три кварка в каждом. И есть данные, свидетельствующие о том, что нейтронная материя может превращаться в кварковую во внутреннем ядре нейтронной звезды. Кварки - страстные, можно даже сказать, сладострастные коллективисты: сила их взаимодействия увеличивается с расстоянием, а не уменьшается, как обычно: чем дальше оттягиваешь кварки друг от друга, тем больше сила. Поэтому при не очень высокой плотности кварки как раз очень плотно удерживаются внутри нейтрона. Но в центре нейтронной звезды плотность, как мы видели, нереально высока. И кварки ослабляют свои объятия (кварковые триплеты разваливаются), начинают свободно путешествовать внутри сверхплотной области. В таком случае вещество следует рассматривать как кварковый газ или жидкость.
Таким образом, перед нами модель, в соответствии с которой сначала рождается обычная нейтронная звезда, а после того как вещество в ее недрах совершит переход в кварковое состояние, она превращается в кварковую звезду. Таких моделей существует целый класс, но полной ясности в данном вопросе пока нет.
Пульсары
Обнаружить нейтронную звезду путем оптических наблюдений невозможно. Судите сами. Ядерные реакции внутри нейтронной звезды не идут, поэтому она ничего не излучает и не светит. Кроме того, нейтронная звезда астрономически так мала по площади, что даже если бы она светилась как 100 солнц, ее бы все равно никто не заметил даже в самый мощный телескоп. Но, может, тогда нейтронная звезда - плод буйного воображения физиков-теоретиков? Нет, существование нейтронных звезд имеет экспериментальное подтверждение.
Как известно, небесные тела не пребывают в величественном покое, а вращаются вокруг своей оси под действием гравитации. Если взять звезду с параметрами нашего Солнца (диаметр около 1,4 млн км и период обращения вокруг оси 25 суток) и спрессовать ее вещество в объеме с радиусом около 10 км, то скорость осевого вращения при условии сохранения массы чудовищно увеличится - примерно в 100 тыс. раз. А период вращения в миллиарды раз уменьшится и составит тысячные доли секунды. Это очень-очень малая, до странности малая величина для астрономических тел! Но объект в Крабовидной туманности совершает 30 оборотов в секунду, а объект в созвездии Лисички имеет период 0,00155 с. Понятно, что столь быстро вращаться могут только такие тела, линейные размеры которых измеряются десятками километров.
Теперь далее. Как же это понимать, что упомянутые объекты вращаются вокруг своей оси с сумасшедшей скоростью? На них что, отправили кандидатов в отряд космонавтов, чтобы их там хорошенько покрутило-повертело, как на центрифуге в центре космической подготовки: кто выдержит, того и возьмем в космонавты? Нет, туда же нужно лететь через всю Метагалактику, и для этого нужно уже быть космонавтом. Все это, по крайней мере, нелогично. Зато известно, что верхний слой нейтронной звезды должен представлять 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 англ. jet - струя). Известно также, что сжатие звезды приводит к увеличению ее магнитного поля, поэтому, зная его среднее значение для обычных звезд, можно вычислить, каким оно окажется у нейтронной звезды. Расчеты показывают, что магнитное поле вырастет в 1012 раз и составит колоссальную величину 108–109 тесла.
Таким образом, если нейтронная звезда вращается, то она должна излучать. А если она вращается быстро, то излучать должна очень интенсивно, поскольку быстрое вращение придает вылетающим частицам дополнительную энергию. И еще она должна вращаться в очень-очень частом и строгом по периоду импульсном режиме. Как раз такие источники излучения были обнаружены и продолжают обнаруживаться радиоастрономами. Их отождествили с вращающимися нейтронными звездами и красиво назвали пульсарами. Впоследствии кроме радиопульсаров (то есть объектов, излучающих в радиодиапазоне) были обнаружены рентгеновские пульсары, а также источники мощного потока гамма-излучения (МПГ- источники) с той же самой строгой периодичностью.
Рентгеновские пульсары обычно 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.
В 90-х годах XX века были обнаружены семь нейтронных звезд с экстремально большим отношением рентгеновского потока излучения к излучению света. Все дело, по-видимому, в том, что нейтронные звезды рождаются очень горячими (температура поверхности составляет порядка миллиарда градусов), а затем постепенно остывают, но даже через сотни тысяч лет после рождения их температура может превышать миллион градусов. Поэтому, вероятнее всего, мы видим когорту молодых нейтронных звезд. Все они расположены сравнительно недалеко от Земли (примерно 120 парсек). Это так называемый пояс Гулда.
Поскольку Солнце сжигает запасы водородного топлива, выделяющаяся энергия, поддерживающая ядро, имеет тенденцию к исчерпанию, заставляя Солнце сжиматься. Это увеличивает давление в его недрах и нагревает ядро, таким образом ускоряя сжигание топлива. В результате Солнце становится ярче на примерно 10 % каждые 1,1 млрд лет, и в течение следующих 3,5 млрд лет станет еще на 40 % ярче.
Она черная, страшная и странная - просто черная дыра
На закате своей жизни звезда сбрасывает газовую оболочку, а ее ядро начинает стремительно сжиматься. И, как мы уже говорили, здесь все зависит от массы. Если масса ядра меньше 1,4 массы Солнца, гравитационный коллапс остановится на стадии белого карлика. Если масса ядра находится в пределах 1,4–3,0 солнечной массы, ядро сколлапсирует в нейтронную звезду. Но если ядро еще массивнее (более трех масс Солнца)… образуется в высшей степени экзотический и загадочный объект современной астрономии и космологии - 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. Не то что материальное тело, даже световые волны не могут выйти за пределы этой области: чудовищная гравитация не выпускает! Это же касается любого излучения, в любом диапазоне. Черной дыре просто нечем светить, блестеть. Поэтому она - черная, выглядит как абсолютный физический провал, ей нечем обмениваться с внешним миром.
Путь внутрь черной дыры - путешествие с билетом в один конец: любой предмет, падающий туда, исчезает. Вспомним наши школьные годы: учитель физики рассказывает на уроках про космические скорости. Первая космическая скорость - это скорость, которую нужно сообщить предмету для того, чтобы он не падал на Землю. Вот яблоко падает, камень падает, даже мы сами можем споткнуться и упасть, а по телевизору говорят, что такой-то космический аппарат стартовал с космодрома такого-то и "вышел на орбиту". То есть он стал спутником Земли, вертится вокруг нее, но не падает. Чем массивнее тело, тем больше энергии надо затратить, чтобы оторваться от его поверхности.
Чтобы разорвать силу земного притяжения, то есть покинуть околоземную орбиту, требуется развить скорость 11,2 км/с. Эта величина называется второй космической скоростью, или скоростью убегания. Если объект движется с такой скоростью, то можно быть уверенным, что он не только не будет падать, но сможет убежать от Земли прочь, покинуть ее навсегда. На поверхности Солнца скорость убегания будет, конечно, больше (поскольку Солнце гораздо массивнее Земли) - где-то 700 км/с. Но когда скорость убегания преодолевает критический предел - скорость света… все, последний поезд ушел: возникает черная дыра, ибо, согласно ОТО, бóльшую скорость никакой материальный объект иметь не способен, а поэтому покинуть внутреннюю область черной дыры никому и ничему никак не удастся.
Почему же тогда массивные звезды, гораздо более массивные, чем наше коллапсирующее ядро, запросто излучают свет? "А был ли мальчик, может быть, мальчика-то и не было?" Ответ прост. Мальчик должен быть не просто очень толстым. Он должен быть очень толстым и очень-очень маленьким. Важна не просто масса, важен объем пространства, в который масса "втиснута".
Все что угодно может стать черной дырой. Для этого нужно это "что-то" просто очень-очень сильно сжимать. 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 1027 г/см (это больше плотности атомного ядра не в два, не в три раза, а в такое число раз, что в нем 13 нулей - на 13 порядков, как говорят ученые), скорость убегания на ее поверхности сравняется со скоростью света. После этого Землю уже не нужно будет сдавливать: с этого момента планета начнет просто-таки неудержимо коллапсировать самостоятельно, и на ее месте в конце концов образуется мини-черная дыра. "Мини", но точно такая же черная, как и большая, как любая другая. Черная, странная и загадочная. А термин "черная дыра" ввел в научный обиход американский физик Джон Уилер в 1969 году.
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 вычисляется по формуле rg = 2GM/c, где G - это просто постоянный коэффициент, число, а с - скорость света в пустоте. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 км, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Такие сверхмассивные черные дыры, как считают ученые, встречаются в ядрах спиральных галактик.
Черная дыра - странный объект. Внутри нее нет никакого вещества. Почему? Потому что она состоит из пустоты, из физического вакуума. Впрочем, в прошлой главе мы убедились, что вакуум не так уж пуст. А центр черной дыры - это сингулярность. По сути, такая же, как сингулярность классической космологии - точка начала нашей вселенной. В сингулярности сосредоточена вся масса черной дыры. Но мы же знаем уже, что пустота имеет вес!
На самом деле, никаких чудес - просто квантовая теория. Для точного объяснения того, что происходит в центре черной дыры, нужна теория квантовой гравитации. Пространство и время описываются там в терминах квантовых флуктуаций, так что сама структура того и другого меняется в течение каждого планковского интервала времени - 10–43 с, в планковском объеме - 10–99 см, а плотность энергии этого пространственно-временного кипения тоже планковская, предельно большая, больше просто не бывает: 1093 г/см. Со всеми этими величинами вы, впрочем, уже знакомы.