Этот пост - конспект к пятому занятию по программе курса по астрофизике для средней школы. Он содержит описание вспышек сверхновых, процессов образования нейтронных звезд (пульсаров) и черных дыр звездных масс как одиночных, так и в звездных парах. И несколько слов о коричневых карликах.
Сначала повторю картинку, показывающую классификацию типов звезд и их эволюции в зависимости от их масс:
1. Вспышки новых и сверхновых.
Выгорание гелия в недрах звезд завершается образованием красных гигантов и их вспышками как новых
с образованием белых карликов
или образованием красных сверхгигантов и их вспышками как сверхновых
с образованием нейтронных звезд
или черных дыр,
а также туманностей из сброшенных этими звездами своих оболочек. Зачастую массы сбрасываемых оболочек превышают массы "мумий" этих звезд - нейтронных звезд и черных дыр. Для понимания масштабов этого явления приведу видео вспышки сверхновой 2015F в удаленной от нас на 50 млн. св. лет галактике NGC 2442:
Другой пример - сверхновая 1054 года в нашей Галактике, в результате вспышки которой образовались Крабовидная туманность и нейтронная звезда на расстоянии от нас в 6,5 тыс. св. лет. При этом масса образовавшейся нейтронной звезды ~ 2 солнечных масс, а масса сброшенной оболочки ~ 5 солнечных масс. Современники оценивали яркость этой сверхновой как примерно в 4-5 раз большую, чем у Венеры. Если бы такая сверхновая вспыхнула в тысячу раз ближе (6,5 св. лет), то она бы сверкала на нашем небе в 4000 раз ярче Луны, но в сотню раз слабее Солнца.
2. Нейтронные звезды.
Звезды больших масс (классов О, В, А
) после выгорания водорода в гелий и в процессе выгорания гелия преимущественно в углерод, кислород и азот входят в достаточно короткую стадию красного сверхгиганта
и по завершении гелиево-углеродного цикла тоже сбрасывают оболочку и вспыхивают как "Сверхновые"
. Их недра тоже сжимаются под действием гравитации. Но давление вырожденного электронного газа уже не может, как у белых карликов, остановить это гравитационное самосжатие. Поэтому температура в недрах этих звезд повышается и в них начинают идти термоядерные реакции, в результате которых образуются следующие элементы таблицы Менделеева. Вплоть до железа
.
Почему именно до железа? Потому, что образование ядер с большим атомным номером идет не с выделением энергии, а с поглощением ее. А взять ее от других ядер не так то просто. Конечно, элементы с большим атомным номером в недрах этих звезд образуются. Но в гораздо меньшем количестве, чем железо.
А вот дальше эволюция расщепляется. Не слишком массивные звезды (классов А и частично В ) превращаются в нейтронные звезды . В которых электроны буквально впечатываются в протоны и большая часть тела звезды превращается в огромное нейтронное ядро. Состоящее из соприкасающихся и даже вжатых друг в друга обычных нейтронов. Плотность вещества в котором порядка нескольких миллиардов тонн в кубическом сантиметре. А типичный диаметр нейтронной звезды - порядка 10-20 километров. Нейтронная звезда - второй устойчивый тип "мумии" умершей звезды. Их массы, как правило, лежат в интервале от примерно 1,3 до 2,1 масс Солнца (по данным наблюдений).
Одиночные нейтронные звезды в оптике увидеть практически невозможно из-за их чрезвычайно низкой светимости. Но часть из них обнаруживают себя как пульсары . Что это такое? Практически все звезды обращаются вокруг своей оси и обладают достаточно сильным магнитным полем. Например, наше Солнце делает оборот вокруг своей оси примерно за месяц.
Теперь представьте себе, что его диаметр уменьшится сто тысяч раз. Ясно, что благодаря закону сохранения момента импульса вращаться оно будет гораздо быстрее. И магнитное поле такой звезды будет вблизи ее поверхности на много порядков сильнее солнечного. Большинство нейтронных звезд имеют период оборота вокруг своей оси в десятые - сотые доли секунды. Из наблюдений известно, что самый быстро вращающийся пульсар делает чуть более 700 оборотов вокруг своей оси в секунду, а самый медленно вращающийся делает один оборот за более чем 23 секунды.
А теперь представьте себе, что у такой звезды магнитная ось, как и у Земли, не совпадает с осью вращения. Жесткое излучение от такой звезды будет концентрироваться в узких конусах вдоль магнитной оси. И если этот конус будет с периодом вращения звезды "задевать" Землю, то эту звезду мы будем видеть как пульсирующий источник излучения. Наподобие вращаемого нашей рукой фонарика.
Такой пульсар (нейтронная звезда) образовался после вспышки сверхновой 1054 года, случившейся как раз во время визита кардинала Гумберта в Константинополь. По результатам которого произошел окончательный разрыв между католической и православной церквями. Сам этот пульсар совершает 30 оборотов в секунду. А сброшенная им оболочка массой ~ 5 масс Солнца выглядит как Крабовидная туманность :
3. Черные дыры (звездных масс).
Наконец, достаточно массивные звезды (классов О
и частично В
) заканчивают свой жизненный путь третьим типом "мумии" - черной дырой
. Такой объект возникает, когда масса остатка звезды настолько велика, что давление соприкасающихся нейтронов (давление вырожденного нейтронного газа) в недрах этого остатка не может противостоять его гравитационному самосжатию. Наблюдения показывают, что граница по массе между нейтронными звездами и черными дырами лежит в окрестности ~ 2,1 массы Солнца.
Напрямую одиночную черную дыру наблюдать невозможно. Ибо с ее поверхности (если она есть) никакая частица вырваться не может. Даже частица света - фотон.
4. Нейтронные звезды и черные дыры в двойных звездных системах.
Одиночные нейтронные звезды и черные дыры звездных масс практически не наблюдаемы. Но в случаях, если они являются одной из двух или более звезд в тесных звездных системах такие наблюдения становятся возможными. Поскольку своим тяготением могут "отсасывать" внешние оболочки остающихся пока нормальными звездами своих соседок.
При таком "отсасывании" вокруг нейтронной звезды или черной дыры образуется аккреционный диск , вещество которого частично "сползает" к нейтронной звезде или черной дыре и частично отбрасывается от нее в двух струях-джетах . Это процесс удается зафиксировать. Пример - двойная звездная системв SS433, одна компонента которой либо нейтронная звезда, либо черная дыра. А вторая - пока обычная звезда:
5. Коричневые карлики.
Звезды с массами заметно меньшей солнечной и вплоть до ~ 0,08 массы Солнца являются красными карликами класса М. Они будут работать на водородно-гелиевом цикле в течение времени большего, чем возраст Вселенной. В объектах с массами меньше этого предела по ряду причин стационарный долго работающий термояд не возможен. Такие звезды называют коричневыми карликами. Температура их поверхности настолько низка, что в оптике они почти не видны. Но светят в ИК-диапазоне. По совокупности этих причин их часто называют недозвездами
.
Диапазон масс коричневых карликов - от 0,012 до 0,08 солнечных масс. Объекты с массой меньшей 0,012 массы Солнца (~ 12 масс Юпитера) могут быть только планетами. Газовыми гигантами. Излучающими за счет медленного гравитационного самосжатия заметно больше энергии, чем они получают от родительских звезд. Так, Юпитер по сумме всех диапазонов излучает примерно вдвое больше энергии, чем он получает от Солнца.
Что такое чёрная дыра ? Почему её называют чёрной? Что происходит в звёздах? Как связаны нейтронная звезда и чёрная дыра? Способен ли большой адронный коллайдер создать чёрные дыры, и чем это чревато для нас?
Что такое звезда ??? Если вдруг ещё не знаете, наше Солнце тоже звезда. Это объект больших размеров способен с помощью термоядерного синтеза излучать электромагнитные волны (это не самое точное из определений). Если непонятно, можно сказать так: звезда – это большой объект шарообразной формы, внутри которого с помощью ядерных реакций образуется очень-очень-очень большое количество энергии, часть которой идёт на излучение видимого света. Кроме обычного света излучается и тепло (инфракрасное излучение), и радиоволны, и ультрафиолет и др.
В любой звезде происходят ядерные реакции так же, как и в атомных станциях, только с двумя главными отличиями.
1. В звёздах происходят реакции ядерного синтеза, то есть соединения ядер, а в АЭС – ядерного распада. В первом случае выделяется в 3 раза больше энергии, в тысячи раз меньше затрат, так как необходим лишь водород, а он сравнительно недорогой. Также в первом случае нет вредных отходов: выделяется лишь безвредный гелий. Теперь Вас конечно же интересует, почему на АЭС не пользуются такими реакциями? Потому что она НЕКОНТРОЛИРУЕМА и легко приводит к ядерному взрыву, да ещё для этой реакции нужна температура несколько миллионов градусов. Для человека ядерный синтез является самой важной и самой тяжёлой задачей (никто пока не придумал способ контролировать термоядерный синтез), учитывая, что наши источники энергии заканчиваются.
2. В звёздах в реакциях участвует больше вещества, чем в АЭС, и, естественно, там больше получается на выходе энергии.
Теперь про эволюцию звёзд. Каждая звезда рождается, растёт, стареет и умирает (гаснет). Звёзды по стилю эволюционирования делятся в зависимости от своей массы на три категории.
Первая категория – звёзды с массой менее 1,4*Массу Солнца. В таких звёздах всё «топливо» медленно превращается в металл, потому что из-за синтеза (объединения) ядер появляются всё более «многоядерные» (тяжёлые) элементы, а это и есть металлы. Правда, последняя стадия эволюции таких звёзд не была зафиксирована (зафиксировать металлические шары сложно), это лишь теория.
Вторая категория –
звёзды по массе, превышающие массу звёзд первой категории, но меньших трёх масс Солнца. Такие звёзды в результате эволюции теряют баланс внутренних сил притяжения и отталкивания. Как следствие, внешняя их оболочка выбрасывается в космос, а внутренняя (из закона сохранения импульса) начинает «бешено» сжиматься. Образуется нейтронная звезда. Она почти полностью состоит из нейтронов, то есть из частиц, не имеющих электрического заряда. Самое примечательное в нейтронной звезде –
это её плотность, ведь чтобы стать нейтронной, звезде нужно сжаться до шара диаметром всего около 300 км, а это очень мало. Так вот плотность её очень велика - порядка десятков триллионов кг в одном кубическом метре, что в миллиарды раз больше, чем плотность самых плотных веществ на Земле. Откуда же взялась такая плотность? Дело в том, что все вещества на Земле состоят из атомов, они в свою очередь состоят из ядер. Каждый атом можно представить как большой пустой шар (абсолютно пустой), в центре которого находится маленькое ядро. В ядре заключена вся масса атома (кроме ядра в атоме есть лишь электроны, но их масса очень мала). Ядро в диаметре в 1000 раз меньше атома. А значит в объёме ядро меньше атома в 1000*1000*1000 = 1 миллиард раз. А отсюда плотность ядра в миллиарды раз больше плотности атома. Что происходит в нейтронной звезде? Атомы перестают существовать как форма вещества, они заменяются на ядра. Вот поэтому плотность таких звёзд в миллиарды раз больше плотности земных веществ.
Все мы знаем, что тяжёлые предметы (планеты, звёзды) сильно притягивают к себе всё окружающее. Нейтронные звёзды так и обнаруживают. Они сильно искривляют орбиты других видимых звёзд, находящихся рядом.
Третья категория звёзд – звёзды с массой большей, чем тройная масса Солнца. Такие звёзды, став нейтронными, сжимаются далее и превращаются в чёрные дыры. Их плотность в десятки тысяч раз больше плотности нейтронных звёзд. Имея такую огромную плотность, чёрная дыра обретает способность очень сильной гравитации (способность притягивать окружающие тела). С такой гравитацией звезда не позволяет покинуть свои пределы даже электромагнитным волнам, а значит и свету. То есть чёрная дыра не испускает свет. Отсутствие какого-либо света – это тьма, вот поэтому чёрную дыру и называют чёрной. Она всегда чёрная, её невозможно увидеть ни в какой телескоп. Все знают, что из-за своей гравитации, чёрные дыры способны засасывать в себя все окружающие тела в большом объёме. Именно поэтому люди и остерегаются запуска Большого Адронного Коллайдера, в работе которого, по мнению учёных, не исключено появление чёрных микродыр. Однако эти микродыры сильно отличаются от обычных: неустойчивы, потому что время их жизни очень мало, и не доказаны практически. Более того, учёные уверяют, что эти микродыры имеют совсем другую природу в отличие от обычных чёрных дыр и не способны поглощать материю.
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Для звезд с массой ниже некоторой критической гравитационное сжатие останавливается на стадии так называемого «белого карлика».
Плотность белого карлика больше 10 7 г/см 3 , температура поверхности ~ 10 4 K. При столь высокой температуре атомы должны быть полностью ионизованы и внутри звезды ядра должны быть погружены в море электронов, образующих вырожденный электронный газ. Давление этого газа препятствует дальнейшему гравитационному коллапсу звезды.
Давление вырожденного электронного газа имеет квантовую природу. Оно возникает как следствие принципа Паули, которому подчиняются электроны.
Принцип Паули устанавливает предельный минимальный объем пространства, который может занимать каждый электрон. Внешнее давление не в состоянии этот объем уменьшить. В белом карлике все электроны достигли минимального объема и гравитационное сжатие уравновешено внутренним давлением электронного газа.
Ограничение на массу белого карлика примерно 1.5M s . Эта предельная масса и называется она пределом Чандрасекара (M s – масса Солнца, равная ~ 1,99·10 30 кг).
Обычно полагают, что максимальная масса белого карлика 1.4M s . Таким образом, давление вырождения электронов не может удержать массы большие, чем 1.4M s . Если 0.5M s < M < 1.4M s , ядро белого карлика состоит из углерода и кислорода. Если M < 0.5M s , ядро белого карлика состоит из гелия.
Плотность белого карлика с массой, близкой к чандрасекаровской – 6х10 6 г/см 3 , радиус – 5х10 3 км.
Светимость белых карликов составляет 10 -2 -10 -4 от светимости Солнца. Их излучение обеспечивается запасенной в них тепловой энергией.
Нейтронная звезда
Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~ 25M s остается плотное нейтронное ядро (нейтронная звезда) с массой ~ 1.6M s .
В звездах с остаточной массой M > 1.4M s , не достигших стадии сверхновой, давление вырожденного электронного газа также не в состоянии уравновесить гравитационные силы и звезда сжимается до состояния ядерной плотности. Механизм этого гравитационного коллапса тот же, что и при взрыве сверхновой.
Давление и температура внутри звезды достигают таких значений, при которых электроны и протоны как бы «вдавливаются» друг в друга и в результате реакции
p + e - > n + v e
после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший фазовый объем, чем электроны.
Возникает так называемая нейтронная звезда, плотность которой достигает 10 14 - 10 15 г/см 3 . Характерный размер нейтронной звезды 10-15 км.
В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро.
Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это так же давление вырождения, как ранее в случае белого карлика, но – давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3.2M s .
Нейтрино, образующиеся в момент коллапса, довольно быстро охлаждают нейтронную звезду. Согласно теоретическим оценкам температура ее падает с 10 11 до 10 9 K за время ~ 100 с. Дальше темп остывания несколько уменьшается. Однако он достаточно высок по астрономическим масштабам. Уменьшение температуры с 10 9 до 10 8 K происходит за 100 лет и до 10 6 K – за миллион лет.
Обнаружить нейтронные звезды оптическими методами довольно сложно из-за малого размера и низкой температуры.
В 1967 г. в Кембриджском университете Хьюиш и Белл открыли космические источники периодического электромагнитного излучения – пульсары . Периоды повторения импульсов большинства пульсаров лежат в интервале от 3.3·10 -2 до 4.3 с.
Согласно современным представлениям, пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды, имеющие массу 1-3M s и диаметр 10-20 км.
Только компактные объекты, имеющие свойства нейтронных звезд, могут сохранять свою форму, не разрушаясь при таких скоростях вращения.
Сохранение углового момента и магнитного поля при образовании нейтронной звезды приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с сильным магнитным полем B ~ 10 12 Гс.
B – вектор магнитной индукции, основная силовая характеристика магнитного поля. Измеряется в гауссах (Гс) в системе СГС (сантиметр-грамм-секунда) и в теслах (Тл) в Международной системе единиц (СИ). 1 Тл = 10 4 Гс.
Считается, что нейтронная звезда имеет магнитное поле, ось которого не совпадает с осью вращения звезды. В этом случае излучение звезды (радиоволны и видимый свет) скользит по Земле как лучи маяка. Когда луч пересекает Землю регистрируется импульс.
Само излучение нейтронной звезды возникает за счет того, что заряженные частицы с поверхности звезды двигаются вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Этот механизма радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Голдом, показан ниже на рисунке
Если пучок излучения попадает на земного наблюдателя, то радиотелескоп фиксирует короткие импульсы радиоизлучения с периодом, равным периоду вращения нейтронной звезды.
Форма импульса может быть очень сложной, что обусловлено геометрией магнитосферы нейтронной звезды и является характерной для каждого пульсара.
Периоды вращения пульсаров строго постоянны и точности измерения этих периодов доходят до 14-значной цифры.
В настоящее время обнаружены пульсары, входящие в двойные системы. Если пульсар вращается по орбите вокруг второго компонента, то должны наблюдаться вариации периода пульсара вследствие эффекта Допплера.
Когда пульсар приближается к наблюдателю, регистрируемый период радиоимпульсов из-за допплеровского эффекта уменьшается, а когда пульсар удаляется от нас, его период увеличивается. На основе этого явления и были обнаружены пульсары, входящие в состав двойных звезд.
Для впервые обнаруженного пульсара PSR 1913 + 16, входящего в состав двойной системы, орбитальный период обращения составил 7 часов 45 мин. Собственный период обращения пульсара PSR 1913 + 16 равен 59 мс.
Излучение пульсара должно приводить к уменьшению скорости вращения нейтронной звезды. Такой эффект также был обнаружен. Нейтронная звезда, входящая в состав двойной системы, может быть и источником интенсивного рентгеновского излучения.
Образование нейтронных звезд не всегда является следствием вспышки сверхновой. Возможен и другой механизм образования нейтронных звезд в ходе эволюции белых карликов в тесных двойных звездных системах.
Перетекание вещества звезды-компаньона на белый карлик постепенно увеличивает массу белого карлика и по достижении критической массы (предела Чандрасекара) белый карлик превращается в нейтронную звезду.
В случае, когда перетекание вещества продолжается и после образования нейтронной звезды, её масса может существенно увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратиться в черную дыру. Это соответствует так называемому «тихому» коллапсу.
Имеется предел для массы звезды, которая может удерживаться в равновесии плотно упакованными нейтронами. Этот предел невозможно вычислить точно, так как поведение вещества при плотностях, существенно превышающих плотность ядерной материи, недостаточно изучено.
Оценки массы звезды, которая уже не может стабилизироваться за счет вырожденных нейтронов, дают значение ~ 3M s .
Таким образом, если при взрыве сверхновой сохраняется остаток массы M > 3M s , то он не может существовать в виде устойчивой нейтронной звезды.
Ядерные силы отталкивания на малых расстояниях не в состоянии противостоять дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Возникает необычный объект – черная дыра.
Основное свойство черной дыры состоит в том, что никакие сигналы, испускаемые ею, не могут выйти за её пределы и достигнуть внешнего наблюдателя.
Звезда массы M, коллапсируя в черную дыру, достигает сферы радиуса r g (сферы Шварцшильда):
r g = 2GM/c 2 ,
(формально к этому соотношению можно прийти, полагая в известной формуле для второй космической скорости v k2 = (2GM/R) 1/2 предельное значение этой скорости, равное скорости света).
При достижении объектом размера сферы Шварцшильда, его гравитационное поле становится столь сильным, что покинуть этот объект не может даже электромагнитное излучение. Шварцшильдовский радиус Солнца равен 3 км, Земли – 1 см.
Черная дыра Шварцшильда относится к невращающимся объектам и является остатком массивной невращающейся звезды. Вращающаяся массивная звезда коллапсирует во вращающуюся черную дыру (черную дыру Керра).
Черную дыру можно обнаружить только по косвенным признакам, в частности, если она входит в состав двойной звездной системы с видимой звездой. В этом случае черная дыра будет затягивать газ звезды. Этот газ будет нагреваться, становясь источником интенсивного рентгеновского излучения, которое может быть зарегистрировано.
В настоящее время нет прямых экспериментальных подтверждений существования черных дыр. Есть несколько космических объектов, поведение которых можно объяснить присутствием черных дыр.
Так имеется объект Лебедь XI, представляющий собой двойную систему с периодом вращения 5,6 суток. В состав системы входят голубой гигант с массой 22M s и невидимый источник пульсирующего рентгеновского излучения с массой 8M s , который возможно является черной дырой (объект такой большой массы не может быть нейтронной звездой).
Наряду с черными дырами, образовавшимися при коллапсе звезд, во Вселенной могут быть черные дыры, возникшие задолго до появления первых звезд вследствие неоднородности Большого Взрыва.
Появившиеся при этом сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, тогда как остальная часть вещества расширялась. Черные дыры, образовавшиеся на самом раннем этапе Вселенной, называют реликтовыми. Предполагают, что размер некоторых из них может быть значительно меньше размера протона.
В 1974 г. Хокинг показал, что черные дыры должны испускать частицы. Источником этих частиц является процесс образования виртуальных пар частица-античастица в вакууме. В обычных полях эти пары аннигилируют столь быстро, что их не удается наблюдать. Однако в очень сильных полях виртуальные частица и античастица могут разделиться и стать реальными.
На границе черной дыры действуют мощные приливные силы. Под действием этих сил некоторые из частиц (античастиц), входивших в состав виртуальных пар, могут вылететь за пределы черной дыры. Так как многие из них аннигилируют, черная дыра должна становиться источником излучения.
Энергия, излучаемая в пространство черной дырой, поступает из её недр. Поэтому в процессе такого испускания частиц, масса и размеры черной дыры должны уменьшаться. Таков механизм «испарения» черной дыры.
Температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе, таким образом, более массивные испаряются медленнее, ибо время их жизни пропорционально кубу массы (в четырехмерном пространстве-времени). Например, время жизни черной дыры с массой M порядка солнечной превосходит возраст Вселенной, тогда как микродыра с M = 1 тераэлектронвольт (10 12 эВ, примерно 2x10 -30 кг) живет около 10 -27 секунд (Наука и жизнь, ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ).
Для больших черных дыр темп «испарения» очень медленный и практически им можно пренебречь. Черная дыра массой в 10 солнечных масс испарится за 10 69 лет. Время испарения сверхмассивных (миллиарды масс Солнца) черных дыр, которые могут быть в центре больших галактик, может составлять 10 96 лет.
Процессы превращения звезд в белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры, как правило, сопровождаются выбросами колоссальной энергии. Подробнее о подобного рода энергетических выбросах, и других космических взрывах рассказывается в следующем видеосюжете.
Видео: Жесточайшие и крупнейшие взрывы в космосе. Взрывы Галактик, звезд, планет.
Гравитация является основным предметом многих из этих вопросов. Это - определяющая сила в космосе. Она удерживает планеты на их орбитах, связывает звезды и галактики, определяет судьбу нашей Вселенной.Созданное Исааком Ньютоном в 17-м веке теоретическое описание гравитации остается достаточно точным, чтобы вычислять траектории космических кораблей при полетах к Марсу, Юпитеру и еще дальше. Но после 1905 г., когда Альберт Эйнштейн показал в специальной теории относительности, что моментальная передача информации невозможна, физики поняли, что законы Ньютона перестанут быть адекватными, когда скорость вызванного гравитацией движения приблизится к скорости света. Однако, общая теория относительности Эйнштейна (опубликованная в 1916 г.), достаточно последовательно описывает даже те ситуации, когда гравитация чрезвычайно сильна.Общую теорию относительности рассматривают как один из двух столпов физики 20-го века; второй - это квантовая теория, революция в представлениях, предвосхитившая наше современное понимание атомов и их ядер. Интеллектуальный подвиг Эйнштейна был особенно впечатляющим, так как, в отличие от пионеров квантовой теории, у него не было стимула в виде экспериментальной проблемы.Только через 50 лет астрономы открыли объекты с достаточно сильным гравитационным полем, в котором могли проявиться наиболее характерные и яркие особенности теории Эйнштейна. В начале 60-х годов были обнаружены объекты с очень большой светимостью - квазары. Казалось, что для них необходим еще более эффективный источник энергии, чем ядерный синтез, благодаря которому светят звезды; гравитационный коллапс казался наиболее привлекательным объяснением. Американский теоретик Томас Голд выразил возбуждение, охватившее тогда теоретиков. В послеобеденном докладе на первой большой конференции о новом объекте релятивистской астрофизики, которая состоялась в Далласе в 1963 г., он сказал: "Релятивисты с их изощренными работами не только являются блестящим украшением культуры, но они могут быть полезны науке! Все довольны: релятивисты, которые чувствуют, что их труд признан, что они неожиданно стали экспертами в области, о существовании которой они и не подозревали; астрофизики, которые расширили свое поле деятельности... Все это очень приятно, будем надеяться, что это правильно."Наблюдения, использующие новые методы радио- и рентгеновской астрономии, поддержали оптимизм Голда. В 1950-х лучшие оптические телескопы мира были сосредоточены в Соединенных Штатах, в особенности в Калифорнии. Это перемещение из Европы произошло как из-за климатических, так и из-за финансовых причин. Однако радиоволны из космоса могут проходить сквозь облака, поэтому в Европе и Австралии новая наука - радиоастрономия - могла развиваться, не испытывая влияния погодных условий.Некоторые из самых сильных источников космического радиошума были идентифицированы. Одним была Крабовидная туманность - расширяющиеся остатки взрыва сверхновой, которую восточные астрономы наблюдали в 1054 г. Другие источники были удаленными внегалактическими объектами, в которых, как мы теперь понимаем, выработка энергии осуществлялась около гигантских черных дыр. Эти открытия были неожиданными. Физические процессы, ответственные за излучение радиоволн, которые сейчас достаточно хорошо поняты, не были предсказаны.Самым замечтельным неожиданным достижением радиоастрономии было открытие нейтронных звезд в 1967 г. Энтони Хьюишем и Джоселин Белл. Эти звезды - плотные остатки, остающиеся в центре после некоторых взрывов сверхновых. Они были открыты как пульсары: они вращаются (иногда с частотой несколько раз в секунду) и испускают мощный луч радиоволн, который проходит через нашу линию зрения один раз за оборот. Важность нейтронных звезд заключается в их экстремальных физических условиях: колоссальных плотностях, сильных магнитных и гравитационных полях.В 1969 г. очень быстрый (30 Гц) пульсар был обнаружен в центре Крабовидной туманности. Тщательные наблюдения показали, что частота импульсов постепенно уменьшается. Это было естественным, если энергия вращения звезды постепенно преобразуется в ветер из частиц, которые поддерживают свечение туманности в голубом свете. Интересно, что частота импульсов пульсара - 30 в секунду - так высока, что глаз видит его как постоянный источник. Если бы он был таким же ярким, но вращался медленнее - скажем, 10 раз в секунду - замечательные свойства этой маленькой звезды могли бы быть открыты еще 70 лет назад. Как изменилось бы развитие физики 20-го века, если бы сверхплотное вещество было открыто в 1920-х годах, до того как нейтроны были открыты на Земле? Хотя этого никто не знает, несомненно, что важность астрономии для фундаментальной физики была бы осознана гораздо раньше.Нейтронные звезды были обнаружены случайно. Никто не ожидал, что они будут излучать такие сильные и четкие радиоимпульсы. Если бы теоретиков в начале 1960-х годов спросили, как лучше всего обнаружить нейтронные звезды, большинство предложило бы искать рентгеновское излучение. Действительно, если нейтронные звезды излучают столько же энергии, как и обычные звезды, с гораздо меньшей площади, они должны быть достаточно горячими, чтобы испускать рентгеновские лучи. Таким образом, казалось, что астрономы, работающие в рентгеновском диапазоне, имели лучшие возможности открыть нейтронные звезды.Рентгеновские лучи от космических объектов, однако, поглощаются в земной атмосфере, и могут наблюдаться только из космоса. Рентгеновская астрономия, как и радиоастрономия, получила импульс к развитию в результате использования военных технологий и опыта. В этой области ученые из США заняли лидирующее положение, в особенности покойный Герберт Фридман и его коллеги из Военно-морской исследовательской лаборатории США. Их первые рентгеновские детекторы, установленные на ракетах, работали только по несколько минут, перед тем как упасть на землю. Большого прогресса рентгеновская астрономия добилась в 1970-х годах, когда НАСА запустило первый рентгеновский спутник, который собирал информацию в течение нескольких лет. Этот проект и многие последовавшие за ним показали, что рентгеновская астрономия открыла важное новое окно во Вселенную.Рентгеновские лучи излучаются необычно горячим газом и особенно мощными источниками. Поэтому на рентгеновской карте неба выделяются самые горячие и самые мощные объекты в космосе. Среди них - нейтронные звезды, в которых масса, по крайней мере не меньшая массы Солнца, сосредоточена в объеме с диаметром немногим больше 10 километров. Сила тяготения на них так сильна, что релятивистские поправки доходят до 30%.В настоящее время предполагается, что некоторые остатки звезд при коллапсе могут превзойти плотность нейтронных звезд и превратиться в черные дыры, которые искажают время и пространство еще больше, чем нейтронные звезды. Астронавт, который отважится попасть внутрь горизонта черной дыры, не сможет передать световые сигналы в окружающий мир - как будто само пространство засасывается внутрь быстрее, чем свет движется через него. Внешний наблюдатель никогда не узнает окончательную участь астронавта. Ему будет казаться, что любые часы, падая внутрь, будут идти все медленнее и медленнее. Так и астронавт будет как бы пригвозджен к горизонту, остановившись во времени.Российские теоретики Яков Зельдович и Игорь Новиков, исследовавшие, как искажается время около сколлапсировавших объектов, предложили в начале 1960-х термин "замерзшие звезды". Термин "черная дыра" был введен в употребление в 1968 г., когда Джон Уилер описал, как "свет и частицы, падающие снаружи... падают на черную дыру, только увеличивая ее массу и гравитационное притяжение".Черные дыры, которые являются финальным эволюционным состоянием звезд, имеют радиусы от 10 до 50 километров. Но сейчас существуют убедительные свидетельства того, что черные дыры с массами в миллионы или даже миллиарды масс Солнца, существуют в центрах большинства галактик. Некоторые из них проявляют себя как квазары - сгустки энергии, которые светят ярче всех звезд галактик, в которых они находятся, или как мощные источники космического радиоизлучения. Другие, включая черную дыру в центре нашей Галактики, не проявляют такой активности, но влияют на орбиты звезд, подходящих близко к ним.Черные дыры, если смотреть на них извне, являются стандартизированными объектами: не существует признаков, по которым можно было бы определить, как образовалась определенная черная дыра или какие объекты поглощены ей. В 1963 г. новозеландец Рой Керр обнаружил решение уравнений Эйнштейна, которые описывали сколлапсировавший вращающийся объект. "Решение Керра" приобрело очень важное значение, когда теоретики поняли, что оно описывает пространство-время около любой черной дыры. Коллапсирующий объект быстро приходит в стандартизированное состояние, характеризуемое всего двумя числами, измеряющими его массу и спин. Роджер Пенроуз, специалист в математической физике, который, возможно, сделал больше всех для возрождения теории относительности в 1960-х, заметил: "Есть какая-то ирония в том, что для самого странного и наименее знакомого астрофизического объекта - черной дыры - наша теоретическая картина наиболее полна".Обнаружение черных дыр проложило путь к проверке самых замечательных следствий теории Эйнштейна. Излучение таких объектов обусловлено в основном горячим газом, падающим по спирали в "гравитационную яму". Оно показывает сильный эффект Доплера, а также имеет дополнительное красное смещение из-за сильного гравитационного поля. Спектроскопическое исследование этого излучения, в особенности рентгеновского, позволит прозондировать поток очень близко к черной дыре и определить, согласуется ли форма пространства с предсказаниями теории.
Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры представляют собой различные формы конечного этапа звездной эволюции. Молодые звезды черпают свою энергию в термоядерных реакциях, протекающих в звездных недрах; в ходе этих реакций происходит превращение водорода в гелий. После того как определенная доля водорода израсходована, образовавшееся гелиевое ядро начинает сжиматься. Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы, а точнее от того, как она соотносится с некой критической величиной, называемой пределом Чандрасекара. Если масса звезды меньше этой величины, то давление вырожденного электронного газа останавливает сжатие (коллапс) гелиевого ядра, прежде чем его температура достигнет столь высокого значения, когда начинаются термоядерные реакции, в ходе которых гелий превращается в углерод. Тем временем внешние слои эволюционирующей звезды сравнительно быстро сбрасываются. (Предполагается, что именно таким путем образуются планетарные туманности.) Белый карлик и представляет собой гелиевое ядро, окруженное более или менее протяженной водородной оболочкой.
У более массивных звезд гелиевое ядро продолжает сжиматься вплоть до «загорания» гелия. Энергия, выделяемая в процессе превращения гелия в углерод, предохраняет ядро от дальнейшего сжатия - но ненадолго. После того как гелий полностью израсходуется, сжатие ядра продолжается. Температура вновь возрастает, начинаются другие ядерные реакции, которые протекают до тех пор, пока не исчерпается энергия, запасенная в атомных ядрах. К этому моменту ядро звезды состоит уже из чистого железа, которое играет роль ядерной «золы». Теперь ничто не сможет воспрепятствовать дальнейшему коллапсу звезды - он продолжается до тех пор, пока плотность ее вещества не достигнет плотности атомных ядер. Резкое сжатие вещества в центральных областях звезды порождает взрыв огромной силы, в результате которого внешние слои звезды разлетаются с громадными скоростями. Именно эти взрывы астрономы связывают с явлением сверхновых.
Судьба коллапсирующего остатка звезды зависит от его массы. Если масса меньше, чем примерно 2,5М 0 (масса Солнца), то давление, обусловленное «нулевым» движением нейтронов и протонов, достаточно велико, чтобы воспрепятствовать дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Объекты, у которых плотность вещества равна (или даже превосходит) плотности атомных ядер, называются нейтронными звездами. Их свойства впервые были изучены в 30-х годах Р. Оппенгеймером и Г. Волковым.
Согласно теории Ньютона, радиус коллапсирующей звезды уменьшается до нуля за конечное время, гравитационный потенциал при этом неограниченно возрастает. Теория Эйнштейна рисует другой сценарий. Скорость фотона уменьшается по мере его приближения к центру черной дыры, становясь равной нулю. Это означает, что с точки зрения внешнего наблюдателя фотон, падающий в черную дыру, никогда не достигнет ее центра. Поскольку частицы вещества не могут двигаться быстрее фотона, радиус черной дыры достигнет предельного значения за бесконечное время. Более того, фотоны, испускаемые с поверхности черной дыры, на протяжении коллапса испытывают все возрастающее красное смещение. С точки зрения внешнего наблюдателя, объект, из которого формируется черная дыра, вначале сжимается со все возрастающей скоростью; затем его радиус начинает уменьшаться все медленнее.
Не имея внутренних источников энергии, нейтронные звезды и черные дыры быстро остывают. А поскольку площадь их поверхности весьма мала - всего несколько десятков квадратных километров, - следует ожидать, что яркость этих объектов крайне невелика. Действительно, теплового излучения поверхности нейтронных звезд или черных дыр пока не удавалось наблюдать. Однако некоторые нейтронные звезды являются мощными источниками нетеплового излучения. Речь идет о так называемых пульсарах, обнаруженных в 1967 г. Джоселин Белл - аспиранткой Кембриджского университета. Белл изучала радиосигналы, зарегистрированные с помощью аппаратуры, разработанной Энтони Хьюишем для исследования излучения осциллирующих радиоисточников. Среди множества записей хаотически мерцающих источников она заметила такую, где всплески повторялись с четкой периодичностью, хотя и менялись по интенсивности. Более детальные наблюдения подтвердили точно периодический характер следования импульсов, а при изучении других записей было обнаружено еще два источника с такими же свойствами. Наблюдения и теоретический анализ показывают, что пульсары - это быстровращающиеся нейтронные звезды с необычайно сильным магнитным полем. Пульсирующий характер излучения обусловлен пучком лучей, выходящих из «горячих пятен» на (или вблизи) поверхности вращающейся нейтронной звезды. Детальный механизм этого излучения все еще остается загадкой для ученых.
Было обнаружено несколько нейтронных звезд, входящих в состав тесных двойных систем. Именно эти (и никакие другие) нейтронные звезды являются мощными источниками рентгеновского излучения. Представим себе тесную двойную, один компонент которой - гигант или сверхгигант, а другой - компактная звезда. Под действием гравитационного поля компактной звезды газ может вытекать из разреженной атмосферы гиганта: такие газовые потоки в тесных двойных системах, давно обнаруженные методами спектрального анализа, получили соответствующее теоретическое толкование. Если компактной звездой в двойной системе является нейтронная звезда или черная дыра, то молекулы газа, утекающего с другого компонента системы, могут ускоряться до очень высоких энергий. Вследствие столкновений между молекулами кинетическая энергия газа, падающего на компактную звезду, в конечном итоге переходит в тепло и в излучение. Как показывают оценки, выделяемая при этом энергия вполне объясняет наблюдаемую интенсивность рентгеновского излучения двойных систем такого типа.
В общей теории относительности Эйнштейна черные дыры занимают такое же место, как ультрарелятивистские частицы в его специальной теории относительности. Но если мир ультрарелятивистских частиц - физика высоких энергий - полон удивительных явлений, которые играют важную роль в экспериментальной физике и наблюдательной астрономии, то явления, связанные с черными дырами, пока вызывают лишь удивление. Со временем физика черных дыр даст результаты, важные для космологии, но сейчас эта отрасль науки в основном представляет собой «игровую площадку» для теоретиков. Не следует ли из этого, что теория гравитации Эйнштейна дает нам меньше сведений о Вселенной, чем теория Ньютона, хотя в теоретическом отношении значительно превосходит ее? Вовсе нет! В отличие от теории Ньютона теория Эйнштейна образует фундамент самосогласованной модели реальной Вселенной как целого, что эта теория имеет множество поразительных и доступных проверке предсказаний и, наконец, она обеспечивает причинную связь между свободно падающими, невращающимися системами отсчета и распределением, а также движением массы в космическом пространстве.
