Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

В абсолютном вакууме свет движется со скоростью 300 000 км/с. Казалось бы, излучение из внутренней области Солнца должно добираться до его поверхности всего за две секунды – путь составляет едва ли 700 000 км. В действительности из-за непрозрачности Солнца на это уходит около 100 000 лет. Итак, 400 квадриллионов ГДж атомной энергии, выделившейся всего за одну секунду нашего мысленного эксперимента, достигнет поверхности Солнца только через 100 000 лет. После этого свету понадобится лишь 8 минут 20 секунд, чтобы преодолеть почти абсолютный вакуум межпланетного пространства и дойти до Земли.

Очевидно, это означает, что энергия, которую мы получаем от Солнца сегодня, появилась почти 100 000 лет назад. В каком-то смысле мы купаемся в солнечной энергии, являющейся современницей примитивного Homo sapiens . Если по какой-то причине реакции термоядерного синтеза внутри Солнца вдруг остановятся, еще около 5000 поколений землян от этого не пострадают.

Итак, мы знаем, из чего состоит Солнце и как оно производит энергию. То же самое относится ко всем звездам ночного неба. Они являются атомными электростанциями из водорода и гелия, выделяющими колоссальную энергию каждую секунду. Однако, чтобы познакомиться с нейтронными звездами, нужно также узнать, как звезды рождаются и умирают.

Звезды существовали не всегда и не будут существовать вечно. Они рождаются, проживают жизнь и умирают. (Звезда, конечно, не живое существо, но сравнение так наглядно, что им невозможно не воспользоваться. Даже профессиональные астрономы говорят о рождении и смерти звезд.) Наше Солнце является звездой среднего возраста. Оно родилось около 4,6 млрд лет назад, и оставшаяся продолжительность его жизни составляет 5 млрд лет.

В далеком прошлом, когда Солнце рождалось, некому было оставить воспоминания об этом событии. Нет у нас и надежной машины времени, чтобы стать свидетелями гибели Солнца в отдаленном будущем. Откуда же мы знаем, как началась и как закончится его жизнь? Процесс старения Солнца протекает слишком медленно, чтобы его наблюдать. Все, чем мы располагаем, – это фактически один моментальный снимок.

Кроме того, Солнце не единственная наблюдаемая звезда. Представьте, что вы инопланетянин и ваша задача – изучить жизненный цикл человека. К сожалению, ваша летающая тарелка отправится в обратный путь всего через день после прибытия на Землю. За этот единственный день вы не заметите, как стареет отдельный человек, но, посмотрев вокруг, увидите этапы жизненного цикла: новорожденного, появляющегося на свет в больнице, детей, играющих в школьном дворе, влюбленную молодую парочку, взрослых людей средних лет, борющихся с морщинами и возрастным жиром, престарелых в инвалидных креслах, похороны. Вместе эти образы рисуют выразительную картину жизни человека.

Так же и со звездами. Мы не замечаем медленной эволюции отдельной звезды. Но можем исследовать Млечный Путь и найти звезды на разных стадиях жизненного цикла. Таким образом астрономы составили из фрагментов ход звездной эволюции.

Привожу рецепт изготовления звезды. Взять много газа. Поместить его в достаточно малый объем. Подождать. Вот и все, о прочем позаботится природа.

Пространство между звездами не является пустым. Оно заполнено газом. Во многих местах это горячий и чрезвычайно разреженный газ – менее одного атома на кубический сантиметр. Большинство физиков назвали бы такую среду абсолютным вакуумом. Но повсеместно встречаются облака холодного межзвездного газа плотностью до 1 млн атомов или молекул на кубический сантиметр. Этого достаточно, чтобы между частицами возникло некоторое гравитационное тяготение.

Если достаточно большое количество газа находится в достаточно малом пространстве, гравитация возникает автоматически. Облака сжимаются сами собой, поскольку гравитация сближает составляющие их частицы, насколько возможно.

Вы когда-нибудь пытались сблизить, насколько возможно, две пригоршни снежинок? В конечном счете получится снежок. Самая эффективная форма упаковки материи – это сфера. Именно поэтому звезды, в том числе наше Солнце, имеют форму сферы. (Кстати, это относится и к планетам, но не к кирпичам, горам или астероидам – они не обладают достаточным собственным тяготением, чтобы преодолеть прочность своего материала, обеспечиваемую электромагнитными силами.)

Легко понять, как гравитация стягивает разреженное облако межзвездного газа в компактную сферу. Менее очевидно, почему этот гравитационный коллапс в какой-то момент останавливается. Причина в давлении газа в сердцевине новорожденной звезды, создающем направленную изнутри силу, противодействующую гравитационному тяготению снаружи внутрь. Чем выше давление, тем труднее дополнительно сжать газ.

Запуск реакций термоядерного синтеза разогревает газ в ядре звезды и еще больше повышает давление. Давление в ядре Солнца, к примеру, составляет около 250 млрд (!) земных атмосфер. Этого достаточно, чтобы выдерживать вес многих слоев газа – сопротивляться гравитации. В результате звезда находится в состоянии, которое астрофизики называют гидростатическим равновесием. Предположим, что мы смогли заставить звезду сжиматься дальше. В этом случае плотность ее ядра увеличится. Реакции термоядерного синтеза ускорятся, создавая более высокие температуру и давление. В итоге звезда вернется в исходное состояние гидростатического равновесия.

Это также означает, что звезды могут иметь – и имеют – разные размеры. Первоначальный диаметр звезды зависит от массы сжимающегося газового облака. Чем больше масса, тем выше давление в ядре. Чем выше давление, тем активнее реакции термоядерного синтеза. Чем больше термоядерной энергии, тем выше температура и давление. Наконец, достигается гидростатическое равновесие при размере намного большем, чем у Солнца. Природа выпекла массивную, горячую и яркую звезду-гигант.

Напротив, если исходное газовое облако мало, плотность ядра остается низкой. Термоядерный синтез идет медленно, если вообще начинается. Внутренняя область звезды остается относительно холодной, давление не слишком высоко. Гидростатическое равновесие устанавливается, когда звезда сожмется примерно до 10 % размера Солнца – примерно с Юпитер. Результат: маловесная, прохладная и относительно тусклая звезда-карлик.

Если вы считаете, что звезды-карлики – это пустяк, то вы ошибаетесь. Начнем с того, что их намного больше, чем крупных и ярких звезд. В природе малое всегда имеет численное превосходство перед большим. Мышей больше, чем слонов, гальки больше, чем каменных глыб, астероидов больше, чем планет, – это общий принцип. Но карликовые звезды не только более многочисленны, но и живут намного дольше гигантских.