Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Как уже выше говорилось, одиночная звезда с начальной массой свыше 11 солнечных масс не имеет шансов превратиться в белый карлик. Другое дело, если у нее есть звезда-компаньон с меньшей массой. Как показывают модельные симуляции, в этом случае даже звезда несколько (но не слишком!) тяжелее 11 солнц может стать кислородно-неоновым белым карликом с массой от 1,1 до 1,4 массы Солнца. Особенно удивляться этому не приходится. Как писал ныне полузабытый классик марксизма, нельзя жить в обществе и быть свободным от его влияния.

Двойная система может состоять и из пары белых карликов. При определенных условиях члены такой пары могут терять кинетическую энергию, сближаться, сталкиваться и сливаться. Такие столкновения — явление не слишком частое, но вполне возможное. Согласно данным, опубликованным в 2018 г., доля белых карликов, родившихся в результате подобных слияний, может доходить до нескольких процентов. Более того, последствия таких событий поддаются теоретической симуляции. Например, в 2016 г. был опубликован сценарий столкновения двух углеродно-кислородных белых карликов, чья суммарная масса превышает предел Чандрасекара. Такой катаклизм может закончиться возникновением нейтронной звезды либо привести к рождению массивного белого карлика — кислородно-неонового или даже кремниевого.

Можно спросить, с какой стати карликам дрейфовать друг к другу? В конце концов, Земля и другие планеты обращаются вокруг Солнца миллиарды лет, но не проявляют намерения упасть в его огненные объятья. Основная причина проста и универсальна — излучение гравитационных волн. Из ОТО следует, что любая звездная пара (а также, скажем, Земля и Луна или Земля и Солнце) генерирует гравитационные волны, которые уносят энергию в окружающее пространство. В результате система теряет энергию, и входящие в нее тела постепенно сближаются (астрономы называют такое движение вековым). Однако все дело в темпах потери. В случае Земли или даже гиганта Юпитера она чрезвычайно мала, а вот для пары белых карликов может оказаться довольно значительной. В начале 1960-х гг. два американских астронома, уже упоминавшийся Джесси Гринстайн и Роберт Крафт, вместе с физиком Джоном Мэтьюсом показали, что излучение гравитационных волн должно приводить к возникновению тесных пар белых карликов, имеющих очень короткие периоды орбитального движения (отмечу, что и нейтронные звезды, и черные дыры тогда еще не были открыты и существовали лишь как теоретические объекты). Сейчас такие пары уже известны из наблюдений, хотя и в небольшом количестве. Чтобы рассказать о них подробней, нам понадобятся сведения о гравитационных волнах.

Часто говорят, что гравитационные волны — распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно ОТО, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Гравитационные волны — это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля. По этой-то причине их часто называют пространственно-временной рябью — сравнение образное, хотя и сильно заезженное.

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания гравитационных волн необходимы ускорения, однако отнюдь не всякие. Цилиндр, который вращается вокруг своей главной оси, испытывает ускорение (вспомним школьный курс физики), однако его гравитационное поле остается повсюду однородным, и волны не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле начнет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Тот, кто помнит, что такое квадрупольный момент, сразу догадается, что при таком вращении меняется скорость изменения квадрупольного момента цилиндра — то есть вторая производная от величины момента по времени (строго говоря, речь должна идти о тензоре квадрупольного момента, но это уже математические тонкости). Таково проявление общего правила: если вторая производная квадрупольного момента системы тяготеющих масс отлична от нуля, эта система излучает гравитационные волны. Поэтому, в частности, источником таких волн служат любые два космических объекта, обращающиеся вокруг барицентра.

Гравитационные волны обладают множеством интереснейших свойств, но, поскольку нельзя объять необъятное, ограничимся основными. Во-первых, в пустом пространстве они распространяются со скоростью света. Более того, эта скорость практически всегда сохраняется при встрече с материальными объектами, так что гравитационные волны не претерпевают преломления. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в прочих случаях этот эффект пренебрежимо мал. Амплитуды гравитационных волн угасают при удалении от источника, однако вовсе не падают до нуля. Можно сказать, что единожды возникшая гравитационная волна обречена на вечную жизнь. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми гравитационными волнами, унаследованными от эпохи космической инфляции, о которой пойдет речь в последней главе. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, правда, еще надо умудриться расшифровать.

Во-вторых, гравитационные волны поперечны. Это означает, что такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Твердое тело, попавшее в область волнового гравитационного фронта, будет испытывать деформации именно в этой плоскости (какие именно, зависит от характера волны). В простейшем случае пространство периодически растягивается и сжимается вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений, лежащих в этой плоскости.

В-третьих, утверждение ОТО, что гравитационные волны могут генерироваться только за счет изменения квадрупольного момента (и конечно, более высоких моментов), имеет очень интересную интерпретацию в квантовой теории поля. В этом контексте оно означает, что спин гравитона, кванта гравитационных волн, равен двум. Аналогично возможность генерирования электромагнитных волн благодаря изменениям дипольного момента системы зарядов (тут тоже требуется отличие от нуля второй производной) на квантовом языке означает, что спин фотона равен единице. К нашей основной теме эта информация отношения не имеет, но уж больно она красива!

Гравитационное излучение от земных источников чрезвычайно слабо. Возьмем стальную колонну массой 10 000 тонн, подвесим за центр в горизонтальной плоскости и раскрутим вокруг вертикальной оси до десяти оборотов в секунду (намного быстрее не получится — сталь начнет рваться). Мощность гравитационного излучения такой гигантской вертушки составит примерно 10 –24ватта. Так что ученые давно знали, что единственная надежда обнаружить гравитационные волны в сколь-нибудь близком будущем состоит в том, чтобы найти источник гравитационного излучения, пришедшего из космоса.