Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

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/см3 (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/c2, 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.