Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

То же самое произошло и с работой Ландау «К теории звезд», которую он отправил 7 января 1932 г. в Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion — первый советский физический журнал на иностранных языках (номер с его статьей вышел в свет 29 февраля). В отличие от Френкеля, Ландау вывел очень изящную точную формулу для предельной массы белого карлика, выражавшую ее через три мировые константы (скорость света, постоянную Планка и гравитационную постоянную) и массу вещества карлика, приходящуюся на один электрон. Конечно, можно сказать, что Ландау доказал уже доказанное, но сделал он это куда проще и элегантней, чем его предшественники Андерсон, Стоунер и Чандрасекар. Однако и эта работа как-то проскочила мимо тогдашних астрофизиков.

Коль скоро зашел разговор об иронии, нельзя не вспомнить историю из разряда «нарочно не придумаешь». В 1968 г. исполнительный комитет Международного астрономического союза попросил Виллема Люйтена организовать симпозиум по белым карликам. Зная, что деньги никогда не бывают лишними, Люйтен запросил у Национального научного фонда США грант для финансирования этой встречи. Через несколько недель он получил официальный запрос от генерального хирурга США, который хотел узнать, будут ли там обсуждаться или демонстрироваться эксперименты на людях. В письме также особо сообщалось, что закон запрещает выделять деньги из федеральной казны на организацию расово сегрегированных конференций. Впору процитировать Ильфа и Петрова: «Все рассказанное — не выдумки. Выдумать можно было бы и посмешнее». В общем, бюрократия есть бюрократия.

Впрочем, вмешательство известного педиатра и эпидемиолога Уильяма Стюарта, который занимал тогда пост генерального хирурга, ничему не повредило. Симпозиум состоялся в шотландском Сент-Эндрюсском университете 11–13 августа 1970 г. Он собрал элитный состав участников, и прочитанные там доклады были опубликованы [23] White Dwarfs, edited by Luyten W. J., D. Reidel Publishing Company, Dordrecht — Holland, 1971. . Но эта забавная история осталась в анналах астрономии.

Всем известно, что излучение звезд обеспечивается термоядерной энергией. Когда и как астрофизика дошла до понимания этого? Эти вопросы имеют прямое отношение к нашим дорогим белым карликам. В ходе термоядерных реакций синтезируется гелий, которым заполнены некоторые белые карлики, а также углерод с кислородом, из которых состоит большинство угасающих звезд. Поэтому стоит на этом остановиться.

Начать придется вновь с Эддингтона. Дело в том, что именно он построил теоретические модели звездных структур, которые подвели науку к проблеме космического нуклеосинтеза (или, что то же самое, нуклеогенеза). Его великая книга о внутреннем строении звезд [24] Eddington, A. S. The Internal Constitution of the Stars, Cambridge University Press, 1926. вышла в свет в 1926 г. В ней, в частности, сказано, что центр Солнца нагрет до 40 млн K. К этой оценке Эддингтон пришел на основании газовых законов, общих принципов термодинамики, теории излучения и теории тяготения. Ядерная физика существовала тогда лишь как экспериментальная наука, и своей теории у нее еще не было.

Сейчас понятно, что оценка Эддингтона сильно завышена (правильный ответ — 15 млн K), но порядок величины он определил верно. Немедленно возник вопрос, какое топливо обеспечивает такую температуру. В принципе, ответ Эддингтону был известен — трансформация водорода в гелий. В 1919 г. эту гипотезу высказал французский физик Жан Батист Перрен, и она отнюдь не была чисто умозрительной. К этому времени сотрудник Кавендишской лаборатории Фрэнсис Астон изобрел масс-спектрограф и с его помощью весьма точно определил, что масса альфа-частицы (а это и есть ядро гелия) меньше массы четырех протонов (ядер водорода). Поэтому, если объединить четыре ядра водорода в одно ядро гелия, появится излишек энергии. Пользуясь результатами Астона, Эддингтон с помощью формулы Эйнштейна вычислил, что за одну секунду в недрах Солнца в гелий превращается 400 млн тонн водорода.

Надо сказать, что 80 лет назад астрономы ничего не знали о звездных недрах. Считалось, что в состав звезд входят те же элементы, что доминируют на Земле: кислород, кремний, натрий, калий, алюминий, магний, кальций и железо. В 1925 г. американский астроном Сесилия Пейн пришла к выводу, что водород и гелий составляют 98 % массы Солнца, однако никто ей не поверил, да и сама она сочла это не особенно вероятным. Ее идея восторжествовала лишь в начале 1930-х гг., а до этого считалась полной ересью. Эддингтон во время работы над своей книгой исходил из соображения, что водорода в нашем светиле никак не больше 7 %. В соответствии с его моделью Солнцу хватило бы и такого количества на 10 млрд лет.

После публикации книги Эддингтона могло показаться, что проблема источников звездной энергии в целом решена. Однако не тут-то было. Основанные на тогдашних представлениях о ядерных силах вычисления свидетельствовали, что для слияния протонов температура в десятки миллионов градусов слишком мала — потребны миллиарды. Эддингтона эти возражения не слишком огорчали. Интуиция подсказывала ему, что его теория принципиально верна, а вот физики чего-то не знают или не учитывают. Самое интересное, что он оказался прав, однако выяснилось это лишь в конце 1930-х гг.

Все началось с совместной работы молодого немецкого физика Фридриха Хоутерманса и его коллеги из Англии Роберта Аткинсона. Весной 1929 г. они приступили к анализу внутрисолнечного синтеза гелия на основе теории альфа-распада, которую незадолго до этого предложили Георгий Гамов и, независимо, Рональд Гёрни и Эдвард Кондон. Эта теория объясняет, как альфа-частицы покидают радиоактивные ядра, чему, казалось бы, однозначно препятствует закон сохранения энергии. Дело в квантовом туннельном эффекте, который делает возможными процессы, «запрещенные» классической физикой. Аткинсон с Хоутермансом показали, что этот эффект позволяет некоторым протонам сливаться в тетрады при температурах, на три порядка меньших, нежели считалось ранее. Правда, для этого нужны посредники — легкие ядра, временно захватывающие протоны и удерживающие их вплоть до образования альфа-частицы. Информацией о таких ядрах партнеры не располагали, но полагали, что со временем эта проблема как-то разрешится.

Вскоре возникло еще одно препятствие. В 1932 г. Джеймс Чедвик открыл новую элементарную частицу — нейтрон. Физики немедленно пришли к выводу, что альфа-частица состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку тогда считалось, что в центре Солнца свободных нейтронов нет (они отсутствуют там и в свете современных представлений), спасти модель Хоутерманса и Аткинсона могло лишь предположение, что плененные протоны каким-то образом превращаются в нейтроны.