Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

На этом изменения не закончатся. Когда возраст Солнца немного превысит 12 млрд лет, температура ядра достигнет сотни миллионов кельвинов, и в его центре загорится гелий — с образованием углерода и кислорода. В это время ставшее красным гигантом Солнце сожмется примерно в 20 раз, так что его радиус составит 11 радиусов стабильного периода. Температура поверхности вновь повысится, хотя и не до прежнего уровня — только до 4770 K (так что Солнце из красного станет оранжевым).

Стадия гелиевого горения будет не слишком продолжительной, примерно 100 млн лет. На периферии ядра в это время будет дожигаться водород, причем зона его сгорания вновь сдвинется по направлению к поверхности. К концу этой эпохи гелий загорится вокруг ядра, в то время как в самом ядре реакции синтеза уже прекратятся. Солнце опять потеряет стабильность, его внешние слои вторично раздуются практически до прежнего максимума, и оно превратится в так называемую звезду асимптотической ветви гигантов (АВГ) с температурой поверхности около 3500 K.

Жизненный срок этого исполина окажется совсем коротким, всего лишь 30 млн лет. В центре его ядра быстро накопится большое количество углерода и кислорода, которые вспыхнуть не смогут — не хватит температуры. Внешний гелиевый слой будет продолжать гореть, постепенно расширяясь и в силу этого охлаждаясь. Скорость термоядерного сгорания гелия чрезвычайно быстро растет с повышением температуры и падает с ее снижением. Поэтому внутри звезды АВГ начнутся мощные пульсации, которые выбросят ее атмосферу в космос со скоростью в десятки километров в секунду. Разлетающаяся звездная оболочка под действием ионизирующего ультрафиолетового излучения нижележащих звездных слоев ярко засияет едва ли не всеми цветами радуги и станет тем, что астрономы называют планетарной туманностью. Через тысячи или в максимуме десятки тысяч лет туманность остынет, потемнеет и рассеется в пространстве.

Что касается ядра, то там превращение элементов прекратится вовсе, и оно будет светить лишь за счет накопленной тепловой энергии, все больше и больше угасая и остывая. Сжаться в нейтронную звезду или черную дыру оно не сможет — не хватит массы. Поэтому Солнце даст начало типичному углеродно-кислородному белому карлику с массой чуть больше половины (точнее, 54 %) нынешней массы нашего светила. Где-то через 1 трлн лет он остынет до десятков кельвинов, практически перестанет излучать тепло и превратится в черный карлик.

Солнце, к нашему великому счастью, одиночное светило (иначе возникновение жизни на Земле было бы проблематичным). Для сравнения полезно взглянуть на двойную звездную систему, которая неоднократно упоминалась, — на пару Сириусов. Вернее, на Сириус В, который справедливо считают самым знаменитым белым карликом.

В принципе, он это заслужил, и не только потому, что открытие спутника Сириуса в свое время стало астрономической сенсацией. Это ближайший к нам белый карлик, к тому же самый яркий. Так что не стоит удивляться, что астрономы знают о нем очень много. Правда, его наблюдаемая звездная величина (8,44) известна лишь с точностью до 6 %. Винить за это следует великолепный Сириус А, чей блеск затмевает спутник-компакт. Будь Сириус В одиночной звездой, его звездную величину знали бы с погрешностью меньше 1 %.

Масса Сириуса В — 1,018 массы Солнца (что много для белого карлика), радиус — 8,4 % солнечного радиуса (5840 км). Столь точные значения были получены благодаря информации «Хаббла», хотя свой вклад внесли и другие космические обсерватории. Ускорение свободного падения на его поверхности без малого в 5000 раз больше земного — 4680 км/с 2. Поэтому кидать предметы с наклонной башни (как в экспериментах, которые без каких-либо оснований приписывают Галилею) там бы не получилось. Хотя водородная атмосфера Сириуса В нагрета до 25 200 K, его светимость равна 5,6 % солнечной — естественно, в силу сравнительно малой площади поверхности.

Сириусы обращаются относительно барицентра с периодом 50 лет и 1 месяц. Их орбиты сильно вытянуты, расстояние между звездами в минимуме составляет 8,2 астрономические единицы (а.е.), а в максимуме — увеличивается до 31,5 а.е. Это не слишком много и не слишком мало — в общем, вполне обычная звездная пара.

Подобно Солнцу и другим звездам солнечного типа, Сириус В светит не только в инфракрасных лучах, видимом диапазоне и ультрафиолете, но и в мягком рентгене. Его рентгеновское излучение детектировали в середине 1970-х гг. астрофизики из Нидерландов с помощью спутника ANS (Astronomical Netherlands Satellite). Это сообщение сильно озадачило астрономов. У Солнца (и сходных с ним звезд) источником рентгена служит корона — оболочка из разреженной плазмы, нагретой до 2–3 млн K. При такой температуре во время столкновений атомов электроны могут перескочить на столь высокий энергетический уровень, что при обратном переходе произойдет испускание рентгеновских квантов. Такое же объяснение первооткрыватели предложили и для Сириуса В [32] Mewe, R. et al. Detection of X-Ray Emission from Stellar Coronae with ANS // Astrophysical Journal (1975), 202, L67–L71. , однако коллеги встретили его с недоверием. Дело даже не в том, что гипотетическая плазменная оболочка Сириуса В никак не проявила себя в прямых наблюдениях — это было вполне ожидаемым. Ученые не могли найти разумное объяснение ее нагрева до нужных температур. Для Солнца такие объяснения существуют (правда, сложные и доказанные не до конца), однако они предполагают наличие сильных магнитных полей и плазменных конвективных струй в солнечной атмосфере. У Сириуса В нет ни сколько-нибудь заметного магнитного поля, ни ощутимых атмосферных возмущений, его оболочка очень стабильна. Астрофизики не понимали, каким образом у Сириуса В могла бы сформироваться корона с нужными характеристиками.

В 1976 г. эту загадку разрешил профессор Делавэрского университета Гарри Шипман. Его объяснение оказалось довольно простым и не потребовало изобретения экзотических механизмов генерирования рентгеновских лучей. Шипман показал, что атмосфера Сириуса В обладает повышенной прозрачностью для рентгеновских квантов, порожденных в нижележащих и в разы более горячих слоях белого карлика. Наблюдая рентгеновское излучение Сириуса В, астрономы фактически получали информацию о состоянии вещества под его поверхностью.

Это объяснение, конечно, годится не только для спутника Сириуса, но и для других белых карликов с чисто водородными оболочками. Если же в атмосфере даже в очень малых концентрациях присутствует гелий либо более тяжелые элементы, она непрозрачна для рентгеновского излучения.