Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

Первая сверхновая звезда была открыта в 1572 году датским астрономом Тихо Браге, а вторая — в 1604 году его бывшим помощником Иоганном Кеплером. Эти открытия были сделаны невооруженным глазом, без помощи телескопа, который тогда еще не изобрели. В телескоп сверхновую звезду впервые увидели в августе 1885 года, в созвездии Андромеды.

Так как свету требуется время, чтобы долететь от звезд до Земли, мы наблюдаем то, что случилось во Вселенной в далеком прошлом.

Это было еще до открытия нейтрона, и предполагалось, что альфа-частицы состоят из четырех протонов и двух электронов и в результате имеют положительный заряд, равный двум. В ядре атома гелия два положительных заряда нейтрализуются двумя отрицательными зарядами двух электронов. Резерфорд получал альфа-частицы из атомов газа радона, хотя и не понимал сути процесса рождения этих частиц. Только после открытия нейтрона в 1930-х годах физики узнали, из чего состоят ядра атомов. Они выяснили также, что некоторые ядра являются нестабильными или «радиоактивными» в зависимости от количества содержащихся в них протонов и нейтронов. Испуская альфа-частицы, электроны, позитроны, нейтроны, протоны или гамма-лучи, ядра становятся более стабильными.

Сначала он должен был доказать, что протон-протонные реакции могут идти достаточно быстро, чтобы образовывался гелий и начался процесс слияния. Это был главный вывод статьи Бете-Критчфилда. Они определили цепочку ядерных реакций, начинающихся со слияния двух протонов и формирования на краткий миг «дипротона». Один из протонов при бета-распаде превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Позитрон и нейтрино оказываются внутри звезды, а другой протон остается рядом с нейтроном и образует дейтрон, который затем сливается с другим протоном и нейтроном, образуя ядро атома гелия. Таким образом, в звездах с массами близкими к солнечной возникает энергия излучения. Бета-распад, казалось бы, нарушает закон сохранения энергии, так как энергия ядра до распада оказывается больше, чем суммарная энергия — ядра после распада и вылетевшего электрона. (Электронов в ядре нет, электроны образуются и испускаются в момент распада нейтрона.) Паули сделал смелое предположение, что самый простой способ объяснить различие энергий такой: существует неизвестная пока частица (нейтрино) с нулевой массой и нулевым электрическим зарядом, испускаемая из ядра при бета-распаде, то есть нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино. Нейтрино обнаружили более двух десятилетий спустя, в 1956 году.

По словам Бете, он систематически исследовал «реакции между протонами и ядрами элементов Периодической системы», которые могут существовать при высоких температурах внутри звезд гораздо более ярких, чем Солнце. Он обнаружил самоподдерживающуюся цепочку реакций, в которых водород сгорает с образованием гелия в течение миллионов лет, что соответствует времени жизни таких звезд. Цепочка начинается со взаимодействия водорода с углеродом, при этом расходуется около одного процента массы молодой звезды. Гелий является конечным продуктом последовательности реакций, в которых образуется азот и кислород. Последовательность циклична, и углерод действует как катализатор происходящих реакций. Этот углеродно-азотно-кислородный (CNO) цикл может длиться в течение миллионов лет. Теория Бете объясняет эволюцию звезд типа Сириуса А, примерно в два раза массивнее, чем Солнце, а также звезд типа Y Лебедя в созвездии Лебедя с массой примерно в 20 раз больше массы Солнца и в 600 раз ярче (недавние измерения увеличили эту цифру до 10000 раз).

После Бете этой проблемой занялись Оппенгеймер и его группа. Оппенгеймер настаивал на экспериментальной проверке протекания ядерных реакций, которые он и его группа считали источниками энергии в звездах тяжелее Солнца. По словам Роберта Сербера, кто-то дал неверные данные Оппенгеймеру, что не позволило группе открыть углеродно-азотно-кислородный (CNO) цикл, зато «у Бете не было этих неверных данных и он предположил, что именно такие реакции протекают в звездах».

В простейшем случае сферической симметрии черной дыры горизонт событий равен радиусу Шварцшильда. (Примеч. редактора.)

Астрофизические исследования Чандры потребовали множества компьютерных вычислений. В начале работы в Йерксе аспиранты помогали ему в особо длинных вычислениях. У него были и внештатные сотрудники для вычислений, в частности уроженка Уильямс Бей по имени Донна Элберт. Она работала с Чандрой более тридцати лет и переехала с ним в Чикаго.

Астрофизики впервые предсказали это явление в 1960-х годах, но только в феврале 2004-го астрономы нашли такой объект. В созвездии Центавра, на расстоянии 480 триллионов километров, находится белый карлик ВРМ 37093, который имеет алмазное ядро массой около 10 миллиардов триллионов триллионов карат. ВРМ 37093 в 1,1 раза тяжелее Солнца, и 90 % этой массы кристаллизовалось. Его назвали Люси, в честь героини песни группы «Битлз» «Люси в небесах с алмазами».

В повседневной жизни мы различаем левое и правое — например, наше сердце находится слева. Долгое время считалось, что в законах физики нет различия между правым и левым, что было выражено в законе сохранения четности. Его нарушение означает, что эксперимент и его зеркальное изображение могут приводить к различным результатам. Ли и Янг в 1956 году предсказали, что в таких реакциях, как бета-распад, закон сохранения четности может нарушаться. В том же году их теория была проверена. Две группы ученых поставили опыты по наблюдению бета-распада ядер кобальта, которые были зеркальными отражениями друг друга. В этих экспериментах было зарегистрировано разное число электронов, испускаемых ядрами кобальта, что доказывало асимметрию между левым и правым. В следующем году Ли и Янг получили Нобелевскую премию по физике за предсказание нарушения закона сохранения четности.

Юри получил Нобелевскую премию 1934 года по химии за открытие дейтерия, Либби стал лауреатом Нобелевской премии 1960 года за разработку радиоуглеродного датирования и Гепперт-Майер — в 1963 году за открытия, касающиеся оболочечной структуры ядра.

Через определенное время ядра радиоактивных элементов превращаются в ядра других элементов, испуская элементарные частицы и электромагнитное излучение. Время, в течение которого распадется половина радиоактивных ядер, называется периодом их полураспада. Период полураспада любого ядра — его внутреннее свойство, оно не зависит ни от его плотности, ни от температуры. Период полураспада урана составляет четыре миллиарда лет, что приблизительно равно возрасту Земли, поэтому к настоящему времени распалась только половина исходного количества урана.