Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Нейтронные звезды находятся в самом центре истории рентгеновской астрономии. И они действительно, как говорят, горячие штучки. И не только с точки зрения температуры, хотя их поверхностные температуры нередко достигают свыше миллиона кельвинов, а это более чем в сто раз горячее, чем поверхность Солнца.

Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1935-м. После этого экстраординарного открытия, которое, по мнению многих физиков, стало завершающим мазком в картине атомной структуры, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки выдвинули гипотезу, что нейтронные звезды формируются в результате вспышек сверхновых. И как впоследствии оказалось, были совершенно правы. Нейтронные звезды возникают в результате поистине катастрофических событий в самом конце жизни массивной звезды, одного из самых быстрых, потрясающих и жестоких происшествий в изученной нами Вселенной – коллапса ядра сверхновой.

Нейтронная звезда начинается не со звезды, похожей на наше Солнце, а со звезды как минимум в восемь раз массивнее. В нашей Галактике приблизительно миллиард нейтронных звезд, но в ней так много звезд самых разных видов, что миллиард следует считать редкостью. Звезды, как и многие другие объекты в мире и во Вселенной, могут «жить» только благодаря своей способности обеспечивать приблизительный баланс безмерно мощных сил. В звездах со сгорающим ядром, в котором термоядерные реакции, проходящие при температурах в десятки миллионов градусов по Кельвину, вырабатывают колоссальное количество энергии, создается огромное внутреннее давление. Температура в ядре Солнца, например, около 15 миллионов кельвинов, и оно вырабатывает за одну секунду энергию, эквивалентную энергии более миллиарда водородных бомб.

В стабильной звезде это давление сбалансировано действием силы тяготения, генерируемой огромной массой звезды. Если же эти две силы – направленное наружу давление термоядерного реактора и направленная внутрь сила гравитации – не сбалансированы, звезда не будет стабильной. Мы знаем, что Солнце существует в известном нам виде уже около пяти миллиардов лет и будет продолжать так жить еще пять миллиардов. Когда звезда собирается умирать, она меняется, и весьма существенно. Если звезда израсходовала б о льшую часть ядерного топлива в ядре, она, как правило, приближается к заключительному этапу своей жизни и показывает настоящее огненное шоу. Это особенно верно в отношении массивных звезд. В некотором смысле сверхновые напоминают трагических театральных героев, которые обычно заканчивают свою великую жизнь в пароксизме катарсических эмоций, пламенно и зачастую весьма громко взывая к жалости аудитории.

Самая экстравагантная гибель звезды – гибель в результате коллапса ядра сверхновой, одно из самых энергетических явлений во Вселенной. Постараюсь отдать ей должное. Когда реакция в ядерном реакторе в ядре массивной звезды начинает сходить на нет – в конце концов, никакое топливо не может гореть вечно! – и генерируемое ею давление ослабевает, неустанное и вечное гравитационное притяжение остальной массы решительно берет над ним верх.

Процесс истощения топлива на самом деле довольно сложен, тем не менее весьма увлекателен. Как и большинство звезд, действительно массивные звезды начинают со сжигания водорода и создания гелия. Звезды питаются ядерной энергией – но не деления, а синтеза: при экстремально высоких температурах четыре ядра водорода (протоны) сплавляются в ядро гелия, в результате чего выделяется тепло. Когда у этих звезд заканчивается водород, из-за гравитации их ядра сжимаются, что повышает температуру до показателей, достаточно высоких, чтобы начать связывать гелий до углерода. Звезды с массами, примерно в десять раз превышающими массу Солнца, после сжигания углерода начинают сжигать кислород, потом неон, затем кремний, и в конечном счете у них получается железное ядро.

После каждого цикла горения ядро сжимается, его температура повышается, и запускается следующий цикл. Каждый очередной цикл вырабатывает меньше энергии, чем предыдущий, и короче предыдущего. Для примера скажу, что, в зависимости от точной массы звезды, цикл сжигания водорода может длиться 10 миллионов лет при температуре около 35 миллионов кельвинов, но последний цикл, цикл кремния, продолжается всего несколько дней при температуре около трех миллиардов кельвинов! Во время каждого цикла звезды сжигают большинство продуктов, образовавшихся в предыдущем цикле. Вот что я называю серьезным подходом к переработке!

Конец наступает, когда в результате синтеза кремния получается железо – химический элемент с самым устойчивым ядром из всех элементов периодической таблицы. При синтезе железа в более тяжелые ядра энергия не вырабатывается: этот процесс сам требует энергии, и генерирующий ее реактор останавливается. Железное ядро быстро растет по мере того, как звезда вырабатывает все больше и больше железа.

Когда железное ядро вырастает до примерно 1,4 солнечной массы, оно достигает своего рода магического предела, известного в астрономии как предел Чандрасекара [25](кстати, его фамилия связана с именем индийского бога Луны Чандры). В этот момент давление в ядре уже не может противодействовать мощному давлению силы тяготения, и ядро схлопывается, приводя к направленной вовне вспышке сверхновой.

Представьте себе огромную армию, осаждающую некогда гордый замок, внешние стены которого начинают разрушаться. (Мне лично вспоминаются сцены из фильма «Властелин колец», в которых бесчисленные армии орков прорываются через стены крепости.) Ядро схлопывается за миллисекунды, и падающая при этом в центр звезды материя – на самом деле она влетает на фантастической скорости, равной четвертой части скорости света, – повышает температуру внутри ядра до невообразимых 100 миллиардов кельвинов, что почти в десять тысяч раз горячее ядра Солнца.

Если масса одиночной звезды меньше двадцати пяти масс Солнца (но больше десяти его масс), коллапс создает в ее центре объект совершенно нового вида – нейтронную звезду. Одиночные звезды с массами от восьми до десяти масс Солнца тоже в конечном итоге рождают нейтронные звезды, но их ядерная эволюция (ее мы обсуждать не будем) несколько отличается от описанного сценария.

При высокой плотности коллапсирующего ядра электроны и протоны сливаются друг с другом. Отрицательный заряд отдельного электрона нейтрализует положительный заряд протона, и они объединяются, создавая нейтрон и нейтрино. Отдельных ядер больше не существует, они исчезают, превращаясь в массу того, что известно как вырожденная нейтронная материя (ну наконец-то впечатляющее название!). Еще мне очень нравится название противодействующего давления – давление нейтронного вырождения. Если масса этой потенциально нейтронной звезды начинает превышать массу трех Солнц, что случается, когда масса одиночной звезды (прародитель) примерно в 25 раз больше массы Солнца, сила тяготения превосходит даже давление нейтронного вырождения. Как думаете, что тогда происходит? Попробуйте угадать.