Филип Плейт - Смерть с небес. Наука о конце света

Наконец, 30 лет спустя, после тысячи наблюдаемых всплесков и бессчетного количества споров, ответ на главный вопрос был найден: источники всплесков находятся не просто далеко, а очень далеко. После этого никто уже не сомневался в колоссальных расстояниях до источников всплесков гамма-излучения. Они приходили из удаленных от нашего Млечного Пути мест, по сути, из мест, расположенных достаточно близко к границе видимой части Вселенной.

Но оставался один серьезный вопрос: какое событие могло в принципе генерировать такие титанические энергии?

С какой бы стороны на это ни посмотреть, но короткие гамма-всплески являются самыми яркими объектами во Вселенной, самыми шикарными взрывами после Большого взрыва.

Это немаленькая проблема. Представьте себе источник света в космосе: свет, который он излучает, будет расходиться в виде сферы. По мере увеличения сферы свет рассеивается и выглядит для наблюдателя более тусклым (тускнеет с расстоянием). Когда расстояние до объекта удваивается, площадь, по которой рассеивается свет, увеличивается в четыре раза [34] Попробуйте воскресить тусклые воспоминания о школьном курсе математики: площадь шара равна 4πr2. , поэтому яркость уменьшается в четыре раза. Если расстояние увеличить в десять раз, яркость света составит всего одну сотую (1 %) и так далее. Следовательно, с увеличением расстояния яркость объекта падает очень быстро. Это представляло серьезную проблему для исследователей гамма-всплесков: взрыв, породивший гамма-всплеск, должен был быть грандиозным , иначе мы на Земле, на расстоянии миллиардов световых лет, совсем бы не зарегистрировали этого всплеска. После всех вычислений стало понятно, что ничего не понятно. Даже если бы вся звезда преобразовалась в энергию, согласно уравнению Эйнштейна E=mc2 (см. главу 2), этого было бы недостаточно, чтобы породить такой всплеск, а ведь это буквально вся энергия, которую вы можете получить от звезды (пренебрежем тем неудобным фактом, что известного способа конвертировать всю звезду в энергию не существует, и уж, разумеется, за несколько секунд).

Но выход все-таки нашелся. Что, если взрыв не был симметричным , равномерно расширяющимся во всех направлениях? Что, если он был направленным ?

Если взять небольшую лампочку и включить ее, она будет испускать свет во всех направлениях, а ее кажущаяся яркость будет быстро уменьшаться с расстоянием. Но если вы вкрутите лампочку в фонарик, который собирает и фокусирует свет в пучок, то свет будет оставаться ярким на большем расстоянии.

Астрономам удалось прикоснуться к ответу на этот фрагмент головоломки гамма-всплесков. Вместо взрыва на колоссальном расстоянии с выделением практически невозможного количества энергии, расходящегося сферой и быстро затухающего, возможно, взрыв был менее мощным, но сфокусированным в пучки . Пучки означали бы, что по сравнению со сферическим взрывом потребовалась бы лишь крошечная доля той энергии.

Энергия взрыва все равно должна быть безумно большой, иначе мы не увидели бы его так четко сквозь просторы Вселенной, но не настолько невероятной. На деле, энергия этого события была бы сравнима с энергией вспышки сверхновой. Это дало астрономам надежду на то, что они смогут найти Святой Грааль науки о гамма-всплесках: движущую силу этого явления.

А из всех обитателей космического зверинца, о которых астрономам было известно, только один в принципе мог бы генерировать силы таких масштабов.

Черные дыры имеют дурную славу — они засасывают материю и энергию и не возвращают их, поэтому может показаться парадоксом, что они могут стоять за всплесками гамма-излучения, самыми яркими явлениями во Вселенной.

Но ключом к этому является гравитация. А ключом к ней является процесс образования черных дыр. Поэтому давайте сделаем шаг назад (что в принципе неплохо, когда имеешь дело с черными дырами) и взглянем на это исключительное событие со стороны.

В главе 3 мы узнали, что, когда в ядре массивных звезд заканчивается топливо для синтеза, они взрываются. Невероятно мощные силы тяготения ядра приводят к его коллапсу, и это запускает последовательность событий, приводящих к взрыву звезды. В описании главным образом говорилось о том, что происходит с наружными слоями сверхновой, но не о том, что происходит в самом ядре. Но именно в нем кроется мощь гамма-всплесков.

Во время коллапса железного ядра зарождающейся сверхновой электроны врезаются в протоны с образованием нейтронов (а также излучаются нейтрино — главный детонатор при взрыве сверхновой). В мгновение ока все ядро звезды превращается в море нейтронов, а нормальной материи практически не остается. То, что когда-то было железным шаром диаметром в тысячи километров, стало сверхплотной нейтронной звездой, возможно, 15 км в поперечнике. Ее масса сравнима с массой Солнца, но плотность невероятно увеличилась: чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы миллиард тонн! Это чуть больше, чем суммарная масса всех легковых автомобилей в Соединенных Штатах — представьте себе 200 млн автомобилей, спрессованных до размеров кубика сахара, и вы начнете осознавать, насколько экстремальна материя нейтронной звезды.

Невероятная масса нейтронной звезды может существовать благодаря причудливому эффекту квантовой механики, который называется вырождением (см. главу 3). Он подобен электростатическому отталкиванию — в том смысле, что одноименные заряды отталкиваются, — но в данном случае это стремление определенных субатомных частиц сопротивляться слишком сильному сжатию. Вырождение будет наблюдаться, если вы попытаетесь утрамбовать слишком много электронов, но оно также влияет на нейтральные частицы, такие как нейтроны. Это поразительно мощная сила, способная удерживать массивное ядро от дальнейшего коллапса. Коллапс ядра резко обрывается, и рождается нейтронная звезда…

…почти всегда. Оказывается, что, если масса коллапсирующего звездного ядра превышает массу Солнца примерно в 2,8 раза, даже вырождение нейтронов не в состоянии остановить этот процесс. Силы тяготения ядра слишком велики, и коллапс продолжается. Но в этот раз во всей Вселенной не найдется достаточно мощных сил, способных его остановить.

Дальше происходят настолько экзотические события, что человеческому разуму очень сложно их постичь. По мере уменьшения размеров, но не массы, объекта его силы тяготения увеличиваются. Приведем простой пример: если бы каким-то образом вам удалось сжать Землю до половины ее настоящего диаметра, но сохранить ее массу, силы тяготения, которые вы бы ощущали (и, соответственно, ваш вес), увеличились бы. Чем меньше становится Земля, тем больше ее силы тяготения.