Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках - Мухин Лев Михайлович. Страница 51
Можно представить себе, к чему приводит рано или поздно рост температуры ядра. Ядра железа при некоторой критической температуре начнут разваливаться на нейтроны и ядра гелия-4. Это очень важный момент, так как начиная именно с него рост температуры прекращается, поскольку большая часть энергии идет на диссоциацию ядер железа. Дополнительно к этому огромная энергия уносится нейтрино.
Все это приводит к тому, что ядро теряет упругость, начинает катастрофически сжиматься, причем время этого сжатия очень мало меньше секунды. Естественно, оболочка начинает падать на ядро. Плотность и температура ее при этом резко возрастают, и в результате она взрывается, как чудовищная термоядерная бомба. Таким образом, мы видим здесь сочетание двух процессов — гравитационного коллапса ядра и термоядерного взрыва оболочки. Первый процесс обеспечивает энергией нейтрино и процессы диссоциации ядер, второй, собственно говоря, — прямое следствие первого.
В какой мере приведенную выше картину взрыва сверхновой II типа можно считать обоснованной? Полной теории этого явления не существует. Не совсем ясно, как происходит коллапс ядра. Многие расчеты говорят, что коллапс приводит к появлению черной дыры, в то время как наблюдательные данные свидетельствуют о том, что остатком взрыва сверхновой II типа является нейтронная звезда. Мы также не говорили о роли вращения, которое в принципе может прекратить на определенном этапе сжатие ядра.
Остатки взрыва в созвездии Лисички.
Но если в изучении процессов сверхновых II типа определенный прогресс налицо, то со сверхновыми I типа дело обстоит гораздо хуже. Мы уже говорили, что сверхновая I типа возникает в результате взрыва обычной звезды с массой, близкой к массе солнца. Что мешает ей превратиться в белый карлик?
Здесь нет единой точки зрения. Существует гипотеза, согласно которой взрыв сверхновой I типа связан с эволюцией звезды, находящейся в тесной двойной системе, с перекачкой материала на белый карлик. Механизм перекачки таков, что масса белого карлика постепенно увеличивается, переходя некоторый предел (предел Чандрасекара), после чего он начинает коллапсировать и сбрасывать оболочку.
Подчеркнем еще раз, что законченной теории, полностью объясняющей путь эволюции звезд, вспыхивающих, как сверхновые, нет. Поэтому проблема сверхновых — одна из узловых проблем современной астрофизики. Она тесно связана с пульсарами, черными дырами, космическими лучами и нуклеосинтезом.
Что же остается после чудовищных взрывов звезд? Прежде всего сброшенные при вспышке внешние слои звезды, разлетающиеся со скоростью около 10 тысяч км/сек. Именно по этому признаку (большая скорость) остатки от вспышек сверхновых отличаются от других туманностей, например планетарных, расширяющихся со скоростью порядка десятков километров в секунду.
Из-за огромной мощности взрыва оболочка при разлете сгребает межзвездный газ, и общая картина остатков взрыва получается довольно сложной. Ведь масса выметенного при взрыве межзвездного газа достигает 8 тысяч солнечных масс. Несмотря на масштабы процесса, мы можем наблюдать его ограниченное время.
Непосредственно после взрыва в течение сотен лет можно видеть так называемые оптические остатки сверхновой. В течение десятков тысяч лет можно будет исследовать послевзрывные процессы, изучая рентгеновское и радиоизлучение остатков вспышек сверхновых. Однако через сотни тысяч лет и это станет невозможным. Астрономам останутся для наблюдения лишь пульсары, радиоизлучение которых будет последним свидетелем происшедшей катастрофы.
Сюрпризы гравитации
Большой экваториальный телескоп Пулковской обсерватории (конец XIX века).
Нейтронные звезды
В астрофизике, как, впрочем, и в любой другой отрасли науки, наиболее интересны эволюционные проблемы, проблемы, связанные с извечными вопросами «что было?» и «что будет?».
Что случится со звездной массой, примерно равной массе нашего Солнца, мы уже знаем. Такая звезда, пройдя через стадию красного гиганта, станет белым карликом. Белые карлики на диаграмме Герцшпрунга — Рессела лежат в стороне от главной последовательности.
Белые карлики — конец эволюции звезд солнечной массы. Они являются своеобразным эволюционным тупиком. Медленное и спокойное угасание — конец пути всех звезд с массой, меньше солнечной.
А что можно сказать о более массивных звездах? Мы увидели, что их жизнь полна бурными событиями. Но возникает естественный вопрос о том, чем же заканчиваются чудовищные катаклизмы, наблюдаемые в виде вспышек сверхновых?
В 1054 году на небе вспыхнула звезда-гостья. Она была видна на небе даже днем и погасла лишь через несколько месяцев. Сегодня мы видим остатки этой звездной катастрофы в виде яркого оптического объекта, обозначенного в каталоге туманностей Месье под номером MI. Это знаменитая Крабовидная туманность — остаток взрыва сверхновой.
В 40-х годах нашего столетия американский астроном В. Бааде начал изучать центральную часть «Краба» для того, чтобы попытаться отыскать в центре туманности звездный остаток от взрыва сверхновой. Кстати говоря, название «краб» этому объекту дал в XIX веке английский астроном лорд Росс. Бааде нашел кандидата на звездный остаток в виде звездочки 17m.
Но астроному не повезло, у него не было подходящей техники для детального исследования, и поэтому он не смог заметить, что звездочка эта мерцает, пульсирует. Будь период этих пульсаций яркости не 0,033 секунды, а, скажем, несколько секунд, Бааде, несомненно, заметил бы это, и тогда честь открытия первого пульсара принадлежала бы не А. Хьюишу и Д. Белл.
Лет за десять до того, как Бааде направил свой телескоп в центр Крабовидной туманности, физики-теоретики начали исследовать состояние вещества при плотностях, превышающих плотность белых карликов (106–107 г/см3). Интерес к этому вопросу возник в связи с проблемой конечных стадий эволюции звезд. Интересно, что одним из соавторов этой идеи был все тот же Бааде, который как раз и связал сам факт существования нейтронной звезды с взрывом сверхновой.
Если вещество сжимается до плотностей бóльших, чем плотность белых карликов, начинаются так называемые процессы нейтронизации. Чудовищное давление внутри звезды «вгоняет» электроны в атомные ядра.
В обычных условиях ядро, поглотившее электроны, будет неустойчивым, поскольку оно содержит избыточное количество нейтронов. Однако в компактных звездах это не так. С увеличением плотности звезды электроны вырожденного газа постепенно поглощаются ядрами, и мало-помалу звезда превращается в гигантскую нейтронную каплю. Вырожденный электронный газ сменяется вырожденным нейтронным газом с плотностью 1014–1015 г/см3. Другими словами, плотность нейтронной звезды в миллиарды раз больше плотности белого карлика.
Долгое время эта чудовищная конфигурация звезды считалась игрой ума теоретиков. Понадобилось более тридцати лет, чтобы природа подтвердила это выдающееся предсказание.
В те же 30-е годы было сделано еще одно важное открытие, которое оказало решающее влияние на всю теорию звездной эволюции. Чандрасекар и Л. Ландау установили, что для звезды, исчерпавшей источники ядерной энергии, существует некоторая предельная масса, когда звезда еще сохраняет устойчивость. При этой массе давление вырожденного газа еще в состоянии противостоять силам гравитации. Как следствие у массы вырожденных звезд (белые карлики, нейтронные звезды) существует конечный предел (предел Чандрасекара), превышение которого вызывает катастрофическое сжатие звезды, ее коллапс.