Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

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/см3. 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/см3 до 1,2 × 1015 г/см3.

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.