Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

В основном тесно связанные двойные системы состоят из двух красных карликов, поскольку среди звезд преобладают карлики. Когда эти звезды гибнут, то коллапсируют в белые карлики, но звезды малой массы живут долго, и большинство из них еще не умерло. Массивные звезды живут мало, поэтому если мы обнаруживаем двойную систему из звезд большой и малой масс, то, вероятно, более массивная звезда умерла и оставила после себя нейтронную звезду или черную дыру.

Перечислю типы звездных остатков в двойных системах в порядке уменьшения распространенности: двойной белый карлик, белый карлик и нейтронная звезда, белый карлик и черная дыра, двойная нейтронная звезда, нейтронная звезда и черная дыра, наконец, двойная черная дыра. Последний вариант можно назвать двойной черной жемчужиной: это редчайшее сочетание. Мы к нему еще вернемся.

Чтобы рассказать все, что известно о двойных звездах, придется написать книгу намного толще этой. Как и пары людей, они очень разные. Пары бывают большие и маленькие, «личности» в них – горячие и холодные. Обе стороны что-то дают и что-то берут, и жизнь одной стороны оказывает колоссальное влияние на другую. Иногда партнеры разрывают отношения, один из партнеров почти неизбежно умирает раньше другого. В случае со звездами близкие отношения могут даже дать жизнь после смерти.

Рассмотрим две обычные звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс, – они в самом расцвете жизни, синтезируют гелий из водорода. Более массивная звезда истратит свой водород раньше и вырастет в красный гигант, изливая газ на компаньона. Обе звезды купаются в газе и сближаются по спирали. Более массивная звезда умирает, коллапсируя в белый карлик. В конце концов менее массивная звезда стареет и увеличивается, выбрасывая газ на свою мертвую спутницу. Очень сильная гравитация белого карлика сжимает этот газ настолько, что запускается термоядерный синтез, и звезда ненадолго возвращается к жизни. Это так называемая новая звезда – или просто «новая». При бешеной реакции синтеза значительная часть газа выбрасывается в окружающее пространство, процесс может эпизодически повторяться. Иногда из бледного пятнышка, различимого лишь в телескоп, новая превращается в яркий объект, видимый невооруженным глазом [96] D. Prialnik, “Novae,” in Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics , edited by P. Murdin (London: Institute of Physics, 2001), 1846–56. Около десяти новых звезд появляется в Млечном Пути ежегодно. По большей части они зажигаются в масштабах времени от 1000 до 100 000 лет. Небольшое число эффектных новых вспыхивает в течение человеческой жизни, они достаточно яркие, чтобы быть видимыми без телескопа. Т Северной Короны, или «Вспыхивающая звезда», становилась одной из самых ярких звезд на небе в 1866 г. и в 1949 г., а RS Змееносца разгоралась настолько, что была видна невооруженным глазом пять раз за минувшее столетие, в последний раз в 2006 г. . При переносе большого количества вещества белый карлик может преодолеть предел Чандрасекара, равный 1,4 массы Солнца. В этом случае мертвая звезда умрет вторично – как суперновая, оставив после себя нейтронную звезду [97] Этот сценарий может показаться малозначительной заумью, но является основным в современной астрономии. Некоторые сверхновые (типа II) возникают, когда умирает единичная массивная звезда, но их светимость очень сильно различается. Однако если сверхновая взрывается в двойной системе (так называемый тип Iа), то вещество поступает к белому карлику «порционно», упорядоченным образом, и светимость систем отличается всего на 15 %. Такие сверхновые, будучи «стандартными бомбами», являются соответственно и «стандартными свечами», по которым можно измерять расстояние. Поскольку сверхновые могут быть яркими, как целая галактика, они видны за миллиарды световых лет. Сверхновые типа Iа помогли открыть ускорение расширения Вселенной и темную энергию в середине 1990-х гг.; эта работа была удостоена Нобелевской премии. См.: S. Perlmutter, “Supernovae, Dark Energy, and the Accelerating Universe,” Physics Today , April 2003, 53–60. .

Такова история жизни двойной системы, оканчивающейся образованием черной дыры [98] K.A. Postnov and L.R. Yungelson, “The Evolution of Compact Binary Systems,” Living Reviews in Relativity 9 (2006): 6–107. . Две горячие массивные звезды вращаются по тесной двойной орбите. Более массивная из них, израсходовав водород в ядре, расширяется и сбрасывает бо?льшую часть оболочки на компаньона, причем от нее самой остается голое гелиевое ядро. Через несколько сотен тысяч лет она катастрофически гибнет во вспышке сверхновой, оставляя черную дыру. Спустя некоторое время, достигнув конца своей жизни, менее массивный компаньон также расширяется, выплескивает газ в черную дыру и продуцирует мощное рентгеновское излучение. Затем и он взрывается сверхновой, и в зависимости от массы все завершается образованием системы нейтронной звезды и черной дыры или двойной черной дыры (илл. 17).

Черные дыры – причудливое, но неизбежное следствие эволюции массивных звезд. Если они входят в двойные системы, то их взаимодействие позволяет их обнаружить. Каждую секунду где-то во Вселенной бурно умирает массивная звезда. Каждую секунду небольшой участок пространственно-временного континуума исчезает из вида, и каждую секунду рождается черная дыра.

Нет ли, однако, другого способа образования черной дыры? И что, если в результате появится нечто невообразимо чудовищное?

Только ли из мертвой звезды может образоваться черная дыра? Для ее возникновения нужна плотность, создающая сильнейшую гравитацию – непреодолимую для света. Теоретически такое возможно в телах, которые больше (или меньше) коллапсирующей звезды. Тем не менее открытие сверхмассивных черных дыр стало сюрпризом. Некоторые из них настолько массивны, что превышают суммарную массу всех черных дыр звездного происхождения в нашей Галактике. Еще большим сюрпризом оказалось то, что такая черная дыра имеется в центре каждой галактики.

Лето 1937 г. в Уитоне, штат Иллинойс, было жарким и душным. Гроуту Реберу было 26 лет, и он целыми днями пропадал на пустыре возле дома своей матери, где с семи утра до темноты резал древесину и гнул листы металла. Он строил радиотелескоп. Тарелка имела диаметр около 10 м – лучшее, что он мог создать из имеющихся материалов [99] Телескоп обошелся ему в $2000 – около $33 000 на сегодняшние деньги. Ребер все делал сам: клал цемент, работал с металлом и деревом, собирал электрическую часть и приемник, вел наблюдения, очищал данные и давал им астрономическую интерпретацию. . На тот момент это был самый большой радиотелескоп на Земле – предшественник современных приборов, достигающих 100 м в диаметре. Десять лет Ребер был единственным радиоастрономом в мире (илл. 18).