Экзотические звезды
Как только кончается водородное топливо, гравитационные силы берут верх и звезда сжимается. В конце жизненного цикла истощенная звезда может тихо угаснуть в виде белого карлика, либо погибнуть более драматически — звездным взрывом. В результате взрывов гигантских звезд в космическом пространстве могут образоваться черные дыры.
Когда ядерное топливо звезды оказывается израсходованным и в ее глубинах прекращается выработка энергии, звезда начинает сжиматься к центру. Сила тяготения, направленная внутрь, больше не уравновешивается выталкивающей силой горячего газа. Дальнейшее развитие событий зависит от массы сжимающегося материала.
Если эта масса не превосходит солнечную более чем в 1,4 раза, звезда стабилизируется, становясь белым карликом. Катастрофического сжатия не происходит благодаря основному свойству электронов. Существует такая степень сжатия, при которой они начинают отталкиваться, хотя никакого источника тепловой энергии уже нет. Правда, это происходит лишь тогда, когда электроны и атомные ядра сжаты невероятно сильно, образуя чрезвычайно плотную материю.
Белый карлик с массой Солнца но объему приблизительно ранен Земле. Всего лишь чашка вещества белого карлика весила бы на Земле сотню тонн. Любопытно, что чем массивнее белые карлики, тем меньше их объем.
Что представляет собой внутренность белого карлика, вообразить очень трудно. Скорее всего это нечто ироде единого гигантского кристалла, который постепенно остывает, становясь нее более тусклым и красным. В действительности, хотя астрономы белыми карликами называют целую группу звезд, лишь самые горячие из них, с температурой поверхности около 10 000"С, на самом деле белые. В конечном итоге каждый белый карлик превратится в темный шар радиоактивного пепла — абсолютно мертвые останки звезды.
Белые карлики настолько малы, что даже наиболее горячие из них испускают совсем немного спета, и обнаружить их бывает нелегко. Тем не менее количество известных белых карликов сейчас исчисляется сотнями; по оценкам астрономов, не менее десятой части всех звезд Галактики — белые карлики. Сириус, самая яркая звезда нашего неба, является членом двойной системы, и его напарник — белый карлик под названием Сириус В.
Нейтронные звезды
Если масса сжимающейся звезды превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то такая звезда, достигнув стадии белого карлика, на этом не остановится. Гравитационные силы и этом случае столь велики, что электроны вдавливаются внутрь атомных ядер. В результате протоны превращаются и нейтроны, способные прилегать друг к другу без всяких промежутков. Плотность нейтронных звезд превосходит даже плотность белых карликов; по если масса материала не превосходит 3 солнечных масс, нейтроны, как и электроны, способны сами предотвратить дальнейшее сжатие.
Помимо неслыханно громадной плотности, нейтронные звезды обладают еще двумя особыми свойствами, которые позволяют их обнаружить, невзирая па столь малые размеры: это быстрое вращение и сильное магнит-нос ноле. В общем, вращаются все звезды, но когда звезда сжимается, скорость ее вращения возрастает — точно так же, как фигурист на льду вращается гораздо быстрее, когда прижимает к себе руки. Нейтронная звезда совершает несколько оборотов в секунду. Наряду с этим исключительно быстрым вращением, нейтронные звезды имеют магнитное иоле, в миллионы раз более сильное, чем у Земли.
Пульсары
Первые пульсары были открыты в 1968 г., когда радиоастрономы обнаружили регулярные сигналы, идущие к нам из четырех точек Галактики. Ученые были поражены тем фактом, что какие-то природные объекты могут излучать радиоимпульсы в таком правильном и бистром ритме. Вначале (правда, ненадолго) астрономы даже заподозрили участие неких мыслящих существ, обитающих в глубинах Галактики. Но вскоре было найдено естественное объяснение. В мощном магнитном ноле нейтронной звезды движущиеся по спирали электроны генерируют радиоволны, которые излучаются узким пучком, как луч прожектора. Звезда быстро вращается, и радиолуч пересекает линию нашего наблюдения, словно маяк. Некоторые пульсары излучают не только радиоволны, по и световые, рентгеновские и гамма-лучи. Период самых медленных пульсаров — около четырех секунд, а самых быстрых — тысячные доли секунды. Вращение этих нейтронных звезд было но каким-то причинам еще более ускорено; возможно, они входят в двойные системы.
Рентгеновские двойные звезды
В Галактике найдено, по крайней мере, 100 мощных источников рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи обладают настолько большой энергией, что для возникновения их источника должно произойти нечто из ряда поп выходящее. По мнению астрономов, причиной рентгеновского излучения могла бы служить материя, падающая на поверхность маленькой нейтронной звезды.
Возможно, рентгеновские источники представляют собой двойные звезды, одна из которых очень маленькая, по массивная; это может быть нейтронная звезда, белый карлик или черная дыра. Звезда-компаньон может быть либо массивной звездой, масса которой превосходит солнечную и 10—20 раз, либо иметь массу, превосходящую массу Солнца не более чем вдвое. Промежуточные варианты представляются крайне маловероятными. К таким ситуациям приводит сложная история эволюции и обмен массами в двойных системах. Финальный результат зависит от начальных масс и начального расстояния между звездами.
В двойных системах с небольшими массами вокруг нейтронной звезды образуется газовый диск. В случае же систем с большими массами материал устремляется прямо па нейтронную звезду — ее магнитное ноле засасывает его, как в воронку. Именно такие системы часто оказываются рентгеновскими пульсарами.
Черные дыры
Согласно теоретическим расчетам, масса нейтронной звезды не может превышать трехкратной массы Солнца. А что же случится при сжатии более массивной звезды? Наибольшим признанием пользуется идея, что в этом случае образуется черная дыра.
Черные дыры обладают фантастическими свойствами, придающими им особый интерес. В области, окружающей сжавшуюся массу, ноле тяготения оказывается столь сильным, что не выпускает наружу даже свет. Граница такой области называется горизонтом событий, потому что ни один внешний наблюдатель не может видеть ничего из происходящего внутри, за этим горизонтом. А внутри ничто — за исключением, возможно, каких-то неизвестных нам физических явлений — не может остановить безудержное сжатие (коллапс) материи в бесконечно малую точку. На самом деле там, на горизонте событий, нет никаких опознавательных знаков, и воображаемый астронавт, падающий в черную дыру, не заметил бы ничего особенного — но это вроде клапана с односторонним действием. Внутрь может провалиться псе, что угодно, по ничего и никогда уже не выйдет обратно. Для черной дыры, масса которой в три раза превышает солнечную, радиус горизонта событий составляет 9 км.
Существуют ли черные дыры в действительности? Почти наверняка, да. В целом ряде двойных систем, где массы партнеров удается вычислить по особенностям их движения, несомненно, имеются очень компактные объекты, которые слишком массивны, чтобы быть даже нейтронными звездами. В одной из рентгеновских двойных систем, называемой АО620-00, удалось очень точно измерить массу компактной звезды (для этого использовались данные разных видов наблюдений). Она оказалась раиной 16 массам Солнца, что намного превышает возможности нейтронных звезд. В другом двойном рентгеновском источнике, V404 Лебедя, есть черная дыра с массой не менее 6,3 солнечной.
Кроме черных дыр с массами, типичными для звезд, почти наверняка существуют и сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах галактик. Лишь падение вещества в черную дыру может быть источником колоссальной энергии, исходящей из ядер активных галактик.
Сверхновые
Звезды, массы которых не достигают 1,4 солнечной, умирают тихо и безмятежно. А что происходит с более массивными звездами? Как возникают нейтронные звезды и черные дыры?
Катастрофический изрыв, которым заканчивается жизнь массивной звезды, — это воистину впечатляющее событие. Это самое мощное из природных явлений, совершающихся в звездах. В мгновение ока высвобождается больше энергии, чем излучает ее паше Солнце за 10 миллиардов лет. Световой поток, посылаемый одной гибнущей звездой, эквивалентен целой галактике, а ведь видимый спет составляет лишь малую долю полной энергии. Остатки взорвавшейся звезды разлетаются прочь со скоростями до 20 000 км в секунду.
Такие грандиозные звездные взрывы называются сверхновыми. Сверхновые — довольно редкое явление. Каждый год в других галактиках обнаруживают от 20 до 30 сверхновых, главным образом в результате систематического поиска. За столетие в каждой галактике их может быть от одной до четырех. Однако в нашей собственной Галактике сверхновых не наблюдали с 1604 г. Может быть, они и были, но остались невидимыми из-за большого количества ныли в Млечном Пути. Радиоастрономы обнаружили кольцо газа, оставшегося от сверхновой в созвездии Кассиопеи, и вычислили дату взрыва — 1658 г. В то время никто не зарегистрировал необычно яркой звезды, хотя одна довольно скромная звездочка, которую впоследствии уже не видели, была отмечена в этом же месте на звездной карте 1680 г.
Сверхновая — смерть звезды
Чтобы разобраться в том, что приводит к взрыву сверхновой, нам придется рассмотреть последние стадии эволюции массивной звезды. Когда весь водород в центральном ядре превращается в гелий, начинаются новые ядерные процессы, преобразующие гелий в углерод. Но дальше от центра, в оболочке, водород все еще соединяется, образуя гелий. Когда гелий использован, горючим становится углерод. В слоях, расположенных вокруг ядра, протекает весь ряд последовательных ядерных реакций, так что звезда приобретает структуру, напоминающую луковицу.
В последней стадии ядро звезды состоит уже из железа и никеля, а в слоях вокруг него идет ядерное горение кремния, неона, кислорода, углерода и гелия. Все это ведет к образованию в центре звезды белого карлика, пока масса не превышает критического рубежа в 1,4 солнечной. А за этим пределом наступает катастрофическое сжатие — коллапс ядра. Менее чем за секунду ядро уменьшается от размеров Земли до 100 км в поперечнике. Его плотность становится такой, как у атомного ядра. Вещество сливается в нечто подобное гигантскому атомному ядру — образуется нейтронная звезда.
В тот момент, когда нейтроны во внутренней части ядра оказываются способными предотвратить дальнейшее сжатие, процесс внезапно останавливается. Немедленно па еще падающий к центру материал обрушиваются встречные ударные полны, и в звезду вливается энергия огромного количества частиц, называемых нейтрино. В результате звезда сбрасывает свои наружные слои, открывая взгляду скрывавшееся под ними нейтронное ядро. По мнению астрономов, большая часть нейтронных звезд, если не все они, родились во взрывах сверхновых. При определенных условиях ядро может оказаться достаточно массивным, чтобы вместо нейтронной звезды образовалась черная дыра.
У нас есть ясная картина того, как массивные звезды заканчивают свое существование взрывами сверхновых. Но это не единственный способ запуска подобных взрывов. Лишь около четверти всех сверхновых появляется таким путем. Они отличаются своими спектрами и специфической картиной возгорания и затухания. Как действуют другие сверхновые, пока не вполне ясно. Наиболее достоверная теория предполагает, что они начинаются с белых карликов в двойных системах. Вещество перетекает па белый карлик с его партнера до тех пор, пока масса карлика не превысит 1,4 солнечной. Затем следует взрыв сверхновой, и вся звезда, по-видимому, навсегда разрушается.
Сверхновая сохраняет свою максимальную яркость лишь около месяца, а затем непрерывно угасает. В это время источником световой энергии является радиоактивный, распад вещества, образовавшегося при взрыве. Еще долгое время после взрыва можно наблюдать вещество сброшенной оболочки, постепенно расходящееся в окружающем пространстве. Такие туманности называют остатками сверхновых. В созвездии Тельца имеется Крабовидная туманность, представляющая собой остаток сверхновой, вспыхнувшей в 1054 г. Обширное тонкое кольцо вещества в Лебеде, так называемая Петля Лебедя, осталась от вспышки сверхновой, произошедшей около 30 000 лет назад. Остатки сперхиовых — одни из сильнейших источников радиоволн в нашем небе.
Происхождение элементов
Наш обычный мир — скалистая Земля с ее океанами, атмосферой, растительной и животной жизнью — состоит примерно ил 100 различных химических элементов.
Во Вселенной некоторые из них гораздо более распространены, чем другие. Сочетаясь между собой, элементы образуют бесчисленное множество различных веществ. Но откуда взялись сами элементы, эти основные строительные кирпичики мироздания? Сегодня астрономы в состоянии дать полную картину того, как образовались и как распределились по Вселенной различные элементы.
Простейший из всех элементов — водород. Ядро атома водорода состоит из единственного протона, а добавление к нему одного электрона завершает конструкцию атома. Ядра других элементов содержат различные количества протонов, а также нейтронов, которые входят в состав всех элементов, кроме водорода. В ходе ядерных реакций отдельные ядра могут слипаться с элементарными частицами, вроде нейтрона. Для протекания ядерных реакций нужны очень высокие температуры. Такие температуры существовали па ранних стадиях развития Вселенной, а сейчас они встречаются внутри звезд, но взрывах сверхновых, а также при падении вещества па очень плотные звезды типа белых карликов. Весь водород по Вселенной, да и значительная часть гелия, появились на свет в течение нескольких первых минут после начала мира. Первые из сформировавшихся звезд состояли почти целиком из водорода и гелия. Но мы уже видели, как звезды получают свою энергию путем слияния ядер водорода, приводящего к образованию гелия, а затем — слияния гелия с более тяжелыми элементами, когда получается все остальное, включая углерод, кислород, кремний, железо и так далее. Когда звезда сбрасывает оболочку, как сверхновая, большая часть материала выносится и космическое пространство. Тепловая энергия взрыва способствует созданию еще большего числа элементов. После того как произошло достаточно много вспышек сверхновых, межзвездное вещество уже содержит значительное количество веществ, произведенных в звездах — наряду с водородом и гелием, которые были здесь с самого начала.
Теперь самое время напомнить, что звезды формируются из облаков межзвездного материала. Звезды, которые сегодня рождаются в нашей Галактике, образуются из гораздо более разнообразной смеси химических элементов, чем самые первые звезды. Даже паше Солнце уже не принадлежит к первому звездному поколению. Оно сформировалось из облака, в котором было немало углерода, кислорода, кремния, железа и др., — по крайней мере, этих элементов оказалось достаточно, чтобы собрать их воедино но вращающейся туманности, ставшей затем Солнечной системой, и образовать нашу планету. Это может показаться странным, по большинство атомов в твоем собственном теле было создано в недрах давно умерших звезд.
|
|
Читайте в рубрике «Небо, Солнце и звезды»: |