Дэвид Кристиан - Большая история [С чего все начиналось и что будет дальше]

Когда звезды становятся совсем старыми, у них рано или поздно кончаются свободные протоны и их центр начинает наполняться золой ядерного синтеза, то есть ядрами гелия. Для синтеза из ядер гелия нужна гораздо большая температура, чем для протонного синтеза, так что в конце концов очаг в ядре звезды затухает. Когда это происходит, гравитация побеждает и звезда схлопывается под действием собственной массы. Но это еще не конец истории. После коллапса звезда снова разогревается по мере того, как под действием гравитации растет давление. Удаленные от ядра внешние слои звезды расширяются и охлаждаются, удерживая равновесие. Нам эти более холодные внешние слои кажутся красными, поэтому на этой стадии звезды называют красными гигантами. Наше Солнце на этом этапе расширится примерно в 200 раз по сравнению с его нынешним объемом, и внутренние планеты, включая Землю, обратятся в пар.

Если масса красного гиганта достаточно велика, гравитация сжимает его настолько плотно, что ядро разогревается больше чем когда-либо – достаточно сильно, чтобы из ядер гелия синтезировать более тяжелые ядра, такие как углерод (с шестью протонами) и кислород (с восемью). Звезда возрождается, но слияние ядер гелия – более сложный процесс, чем синтез из протонов. Он не дает столько энергии, и средняя продолжительность жизни звезд на этой стадии значительно меньше. Очень крупные звезды проходят несколько стадий все более резкого расширения и сжатия. Из углерода и кислорода синтезируются элементы от магния до кремния и, наконец, железа. При нагревании звезд вступает в действие еще один механизм: некоторые нейтроны превращаются в протоны и образуют новые типы ядер. Ядро звезды постепенно становится огромным железным шаром, который окружают слои других элементов.

И вот это – уже конец пути, потому что при синтезе из ядер железа невозможно генерировать энергию. В конце концов, большинство звезд отбросят внешние слои и превратятся в белых карликов, которые находятся в нижнем левом углу диаграммы Герцшпрунга – Рассела. Белые карлики – это звездные зомби без огня в сердце. Чрезвычайно плотные, они часто имеют размер Земли и массу Солнца. Вы не сможете поднять и чайную ложку вещества, из которого состоит белый карлик, потому что она будет весить не меньше тонны [38] Ibid. . Еще горячие, их тела будут остывать в течение миллиардов лет, но они сделали свою работу, обогатив окружающее пространство новыми элементами. На долю некоторых белых карликов выпадает более зрелищная смерть в виде гигантской вспышки сверхновой, когда их втягивают в себя близлежащие звезды. Это такой горячий взрыв, что в нем может образоваться множество элементов периодической таблицы. В ярком процессе гибели белого карлика во взрыве образуются так называемые сверхновые звезды типа Iа. Все они взрываются примерно при одной и той же температуре, так что, если вы видите такую звезду, вы знаете ее яркость, а это означает, что вы можете оценить истинное расстояние до нее. Сверхновые типа Ia позволяют астрономам определять расстояния в сотни раз большие, чем с помощью цефеид.

Звезды, масса которых превышает массу Солнца более чем в семь раз, тоже красочно окончат свой путь взрывом другого типа – вспышкой сверхновой с коллапсирующим ядром. Если в ядре сформировался железный шар, превышающий по размерам наше Солнце, очаг в центре погаснет в последний раз. Гравитация за долю секунды с огромной силой сомнет ядро, и при этом возникнут энергия и температуры, каких не было за всю жизнь звезды. Произойдет взрыв сверхновой, при котором она сможет недолго излучать столько же энергии, сколько излучает целая галактика. Всего за несколько минут она образует и выбросит в космос многие из оставшихся элементов периодической таблицы. Пожалуй, самый известный пример сверхновой с коллапсирующим ядром – это сердце Крабовидной туманности. Бетельгейзе в любой момент ближайшего миллиона лет может перейти к взрыву сверхновой.

Большинство сверхгигантов, отбросив внешние слои в процессе вспышки сверхновой, настолько резко сжимаются, что их протоны и электроны, сталкиваясь, образуют нейтроны. Теперь весь этот массивный шар смят в нейтронную звезду – объект, состоящий из нейтронов, которые набиты в него так же тесно, как частицы в атомном ядре. Это крайне плотная и очень необычная форма материи, ведь большинство атомов в основном состоят из пустого пространства. Нейтронная звезда диаметром всего 20 километров может весить в два раза больше нашего Солнца, а чайная ложка ее вещества – миллиард тонн [39] Ibid. P. 66. . Некоторые данные говорят о том, что многие тяжелые элементы периодической таблицы получились не при стандартных взрывах сверхновых, а в бурном процессе образования нейтронных звезд.

Нейтронные звезды быстро вращаются, как сигнальные маяки, и впервые их обнаружили в 1967 году, зафиксировав серию быстрых вспышек энергии. Вращающиеся нейтронные звезды называют пульсарами. Вскоре после того, как открыли первый пульсар, еще один обнаружили в центре Крабовидной туманности, оставшейся от взрыва сверхновой, который китайские астрономы наблюдали в 1054 году. Пульсар Крабовидной туманности по размерам напоминает город и делает 30 оборотов в секунду.

Самые массивные звезды ждет другой, еще более причудливый финал. Их ядра взрываются с такой силой, что сжатию противостоять невозможно, и они превращаются в черные дыры, самые плотные из известных нам объектов. Их существование предсказал Эйнштейн. Они настолько плотны, что ничто не может избежать их гравитационного притяжения, даже свет, поэтому мы так мало знаем об их внутреннем устройстве. Черные дыры – очень странные астрономические монстры, но теперь у нас есть масса свидетельств того, что они существуют. Вероятнее всего, первые звезды в нашей Вселенной были огромны, так что, по-видимому, многие из них сжались в большие черные дыры, а те стали гравитационными ядрами, вокруг которых образовались целые галактики, как жемчужины вокруг песчинок. Сегодня астрономы наблюдают крупные черные дыры в центре большинства галактик, включая нашу. Их гигантские гравитационные поля позволяют им засасывать в свои пасти ближайшие звезды. Когда звезду затягивает через границу черной дыры (ее горизонт событий), она испускает огромное количество энергии, как будто в предсмертном крике. Эти предсмертные вопли ведут к появлению исключительно ярких объектов, которые называются квазарами.

Граница, или горизонт событий черной дыры, – это точка невозврата. Здесь лежит предел наших знаний, потому что из когтей черной дыры может вырваться ничтожно малое количество информации. Мы можем оценить массу объекта, из которого черная дыра образовалась, а также характер ее вращения. Вот примерно и все. Впрочем, Стивен Хокинг показал, что тонкие квантовые эффекты позволяют крошечному количеству энергии просачиваться из черных дыр. Возможно, происходит также утечка информации, но, если это так, мы пока не умеем ее интерпретировать.