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

Если бы мы могли разрезать эту звездную «бомбу с часовым механизмом», то увидели бы, что внутри она похожа на луковицу. В самом центре находятся железо и никель – конечно, не в виде твердых металлов, поскольку все вещества звезды имеют газообразное состояние, хотя и с невероятно высокой плотностью и температурой. Вокруг железно-никелевого ядра – скорлупа из кремния и серы. Дальше слой, содержащий кислород, неон и магний. Еще дальше идут слои кислорода, углерода, гелия и водорода, хотя к настоящему времени большая часть водорода успела унестись в космос. Относительно низкотемпературные реакции синтеза до сих пор протекают на границах слоев. Звездная луковица переполнена атомной энергией. Часовой механизм тикает.

Катастрофа начинается в ядре. Когда заканчивается кремний, атомный двигатель звезды лишается горючего. Дело в том, что ядра атомов железа и никеля не способны спонтанно сливаться в ядра еще более тяжелых элементов. Термоядерный синтез предпочитает создавать атомные ядра с возможно более высокой энергией связи (то есть более стабильные), но железо и никель обладают максимальной энергией связи. Проще говоря, природа не видит причины трансформировать их в более тяжелые элементы.

Гравитация тут же использует представившуюся возможность. Миллионы лет она пыталась спрессовать звезду до все более компактного размера, сближая, насколько возможно, частицы, из которых состоит звезда, но этой силе всякий раз противодействовало распирающее давление энергии светила. Наконец, упорство гравитации вознаграждается. Атомный двигатель звезды останавливается, и выработка энергии в ядре прекращается.

За секунду или еще быстрее ядро звезды коллапсирует. Невероятно горячий газ в несколько масс Солнца сжимается в сферу диаметром не более 25 км – размером примерно с Лондон или Париж. Этот сверхплотный шар ядерного вещества – почти 100 000 т в каждом кубическом миллиметре – называется нейтронной звездой. Итак, нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, израсходовавшей ядерное топливо.

Почему эти звезды называются нейтронными? Как вы, наверное, догадались, потому что состоят из нейтронов. До сих пор я о нейтронах не упоминал, но настало время совершить краткую экскурсию по миру субатомных частиц.

Атомы состоят из атомного ядра, окруженного облаком электронов. Электроны – очень легкие частицы, поэтому практически вся атомная масса сосредоточена в его ядре. Но ядро атома не цельная частица. Это комбинация протонов и нейтронов – субатомных частиц практически одинаковой массы.

Количество протонов в ядре атома определяет, что это за элемент. Например, ядро водорода состоит из единственного протона (и не содержит нейтронов). Ядро гелия имеет 2 протона и 2 нейтрона. Ядро углерода больше и массивнее: в нем 6 протонов и 6 нейтронов. В железе тех и других частиц по 26, поэтому одно ядро атома железа в 52 раза массивнее ядра атома водорода. Теперь вы понимаете, что астрономы понимают под «тяжелыми элементами». (У еще более тяжелых элементов количество нейтронов в ядре обычно несколько превышает количество протонов. Например, в ядре цинка 30 протонов и 35 нейтронов.)

В нормальных условиях количество электронов, окружающих ядро атома, равно количеству протонов в ядре: у водорода один электрон, у гелия два, у углерода шесть, у железа 26, у цинка 30 и т. д. Поскольку протоны имеют положительный электрический заряд, а электроны отрицательный, то обычные атомы не имеют заряда. (Нейтроны потому и называются нейтронами, что являются электрически нейтральными.)

В ядре звезды нейтральных атомов нет. Условия настолько экстремальны, что электроны больше не связаны с ядрами атомов. Газ звезды называется плазмой – это смесь заряженных частиц. Положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны существуют по отдельности, как родители и дети, потерявшие друг друга в толпе.

Свободно перемещающиеся электроны играют важную роль в процессе термоядерного синтеза. При взаимодействии с электроном протон может превратиться в нейтрон. Отрицательный заряд электрона и положительный протона взаимно нейтрализуются; остается незаряженный нейтрон. Поэтому 4 ядра водорода (4 протона) могут слиться в одно ядро гелия, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов. Как уже было сказано, в ходе этого процесса также возникают позитроны (античастицы электронов, не играющие роли в нашем рассказе) и нейтрино (элементарные частицы-призраки, к которым мы еще вернемся).

Я понимаю, что это объемная информация. Важно уяснить, что коллапсирующее ядро умирающей звезды-гиганта содержит плазму, состоящую из положительно заряженных ядер атомов железа и никеля и отрицательно заряженных электронов. Более того, число электронов равно числу протонов в атомных ядрах.

Что происходит при финальном взрыве, вызванном гравитацией? Плазма сжимается до непостижимой плотности. Отдельные частицы – ядра и электроны – сближаются. Фактически можно сказать, что электроны насильственно втискиваются в ядра, состоящие из протонов и нейтронов практически в равном количестве. Электронам ничего другого не остается, кроме как взаимодействовать с протонами, превращая их в нейтроны. Менее чем за секунду все протоны исчезают. Остается огромный тяжелый шар из незаряженных нейтронов, упакованных вплотную друг к другу, – нейтронная звезда.

До сих пор мы говорили только о ядре звезды. Какая судьба ждет верхние слои этой «луковицы»? Они тоже станут частью нейтронной звезды? Нет, не станут. Наоборот, внешние оболочки звезды – фактически большая часть ее общей массы – извергаются в пространство во время одного из самых драматических событий во Вселенной – взрыва сверхновой.

Как мы видели, сначала вся звезда начинает коллапсировать, поскольку выработка энергии в ядре, противодействующая гравитационному сдавливанию, практически прекратилась. Однако свободнопадающий газ, масса которого может в пять или шесть раз превышать массу Солнца, врезается в поверхность только что образовавшейся нейтронной звезды. Сжать нейтронную звезду еще плотнее невозможно, и газ останавливается. Энергия его движения обращается в тепло, образуя бурлящий огненный шар, который снова устремляется вовне, сметая все со своего пути, словно гигантский бульдозер.

Здесь вступают в игру нейтрино, о которых я упоминал. Как вы помните, нейтрино образуются, когда протоны взаимодействуют с электронами и превращаются в нейтроны. Образование нейтронной звезды порождает колоссальную волну нейтрино – по одному на каждый образующийся нейтрон. Хотя нейтрино практически не взаимодействуют с нормальной материей, они создают дополнительный толчок изнутри наружу. В результате если ядро звезды коллапсирует в компактный шар из нейтронов, то большая часть звезды разносится вдребезги и яростно исторгается в пространство в виде стремительно расширяющейся оболочки.