Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Каждая спокойная стадия завершается исчерпанием «золы», возникшей на предыдущей стадии. При этом прекращается выделение энергии, необходимой для поддержания гравитационного равновесия звезды. Начинается новая стадия сжатия. Она сопровождается быстрым нагревом звезды, превращением новой порции гравитационной энергии в тепловую и включением следующего цикла термоядерных реакций.

Когда большая часть вещества звезды превращается в ядра железа (наиболее устойчивые из ядер), эти процессы заканчиваются. Ядра железа не способны превращаться в ядра более тяжёлых элементов без затраты энергии, поступающей извне. Поэтому невозможно термоядерное горение ядер железа с выделением энергии.

Теперь равновесие между выделением термоядерной энергии и гравитационными силами нарушается в последний раз. Звезда начинает катастрофически сжиматься. Скорость сжатия близка к скорости свободного падения и увеличивается по мере уменьшения радиуса звезды, несмотря на увеличение плотности и температуры внутренних частей звезды. Именно такое катастрофическое сжатие называют гравитационным коллапсом.

В ходе гравитационного коллапса гравитационная энергия стремительно переходит в тепловую. Температура звезды увеличивается. Но повышение температуры не может вызвать горения ядер железа, образовавшихся в процессах термоядерного синтеза. Вместо этого они вновь распадаются, превращаясь в конце концов в протоны и нейтроны. Процессы расщепления ядер железа и других ядер, возникающих в ходе термоядерного синтеза, идут с поглощением энергии. При этом коллапс всё более ускоряется. Ведь поглощение энергии расщепляющимися ядрами препятствует увеличению температуры и давления в коллапсирующем ядре звезды. В заключительной стадии процесса протоны превращаются в нейтроны. Такая реакция идёт с поглощением энергии. Этот процесс назван нейтронизацией. Он сопровождается рождением нейтрино. Нейтрино, покидая ядро коллапсирующей звезды, уносят с собой энергию, что тоже замедляет рост давления и температуры, а это в свою очередь ускоряет коллапс. Что это — конец или начало новой жизни звезды?

Дальнейшая судьба звезды зависит от её первоначальной массы. Если она не превышает двух масс Солнца, то сжатие звезды прекратится, когда её радиус достигнет приблизительно десяти километров. При этом температура поднимется до 1011 градусов. Всё вещество звезды превращается в нейтроны с незначительной примесью протонов и ядер других элементов. Звезда становится огромной каплей нейтронной жидкости, окружённой тонкой коркой, состоящей главным образом из ядер железа.

Возможность существования таких нейтронных звёзд предсказал замечательный советский физик, академик Л. Д. Ландау в 1932 году вскоре после открытия нейтрона.

После того как в 1967 году Э. Хьюиш при помощи радиотелескопа открыл пульсары — источники импульсов радиоволн, возникающих с чрезвычайно высокой точностью повторения, учёные установили, что пульсары являются быстро вращающимися нейтронными звёздами.

Читатель спросит: а если масса звезды была больше удвоенной массы Солнца? Что тогда?

Если первоначальная масса звезды превосходит две массы Солнца, то даже внутреннее давление нейтронной жидкости не сможет уравновесить действие гравитационных сил. Сжатие звезды будет продолжаться, и она превратится в объект, о котором учёные узнали не так давно и который до сих пор поражает воображение. Это — чёрная дыра.

Существование чёрных дыр по существу не сюрприз, оно следует из Общей теории относительности. Эти, во многом ещё таинственные образования (так же, как нейтронные звёзды), заслуживают отдельного рассказа.

Это один из самых замысловатых и таинственных экспериментов Природы, и, возможно, роль их более значительна (в общении двух миров, в их взаимосвязи: космоса и микромира), чем мы сегодня себе представляем. Надо сказать, что звезда участвует в гравитационном сжатии не как единое целое.

Ему подвластны только внутренние части звезды. При этом звезда распадается на две части — сжимающееся ядро и отстающая от него оболочка. Когда при смене одной термоядерной реакции на другую гравитационные силы разогревают сжимающееся ядро, а его излучение раскаляет оболочку, эта оболочка расширяется. При этом яркость звезды возрастает. Так возникают сравнительно недолговечные «новые» звёзды.

В этот момент наш рассказ обретает свой кульминационный смысл: он должен прояснить, чем же отличаются новые звёзды от поразивших человеческое воображение сверхновых звёзд.

Когда вещество звезды после прохождения ряда циклов термоядерных реакций почти полностью превратится в ядра железа, выделение термоядерной энергии быстро уменьшается. Внутреннее давление звезды уже не сможет противостоять силе гравитации, сжимающей ядро звезды. Начнётся заключительный этап её активной жизни — гравитационный коллапс.

Гравитационный коллапс быстротечен. Он длится от одной до сотни секунд. Столь же быстро выделяется гравитационная энергия, нагревающая сжимающееся ядро звезды. Давление света, излучаемого раскалённым ядром, вызывает стремительное расширение оболочки звезды. Яркость её чрезвычайно сильно возрастает. Вот так и возникает сверхновая звезда — она становится видной с Земли. Так появилась и СН 1987А.

Теперь мы можем возвратиться к предсказанию Зельдовича и Гусейнова. Они рассмотрели процессы, сопровождающие гравитационный коллапс массивных звёзд. Изучили процессы, приводящие к преобразованию подавляющей части их вещества в нейтроны. Они пришли к заключению, что эти процессы приводят также к рождению огромного количества нейтрино и антинейтрино, разлетающихся в окружающее пространство.

Подсчёт показал, что в ходе коллапса звезды, масса которой вдвое превосходит массу Солнца, рождается около 1060 этих частиц. Энергия каждой из них очень мала, но все вместе они уносят около десятой части энергии, эквивалентной полной массе коллапсирующего ядра.

Зельдович был убеждён, что регистрация этих нейтрино и антинейтрино дала бы в руки учёных средство проверки правильности теории коллапса массивных звёзд. Он считал это важнейшей задачей зарождающейся нейтринной астрономии.

В том же 1965 году, когда Зельдович и Гусейнов сделали своё предсказание, Г. Т. Зацепин и Г. В. Домогацких предложили способ обнаружения антинейтрино, рождающихся при коллапсе звёзд. Они поняли, что антинейтрино, родственное электрону, может взаимодействовать с протоном так, что при этом возникает нейтрон и позитрон (антиэлектрон, отличающийся от электрона положительным зарядом). Для наблюдения позитронов они предложили применить сцинтиллятор — прибор, в котором жидкость реагирует короткой вспышкой света на пролетающий сквозь неё электрон или позитрон. По их мысли эта вспышка станет сигналом о том, что через жидкость прошло антинейтрино, родившее позитрон. Для того чтобы отличить это событие от вспышек, вызванных электронами и позитронами, возникшими другими путями, Зацепин и Домогацких предложили учесть ещё одну реакцию. Они отметили, что нейтрон, порождённый взаимодействием антинейтрино с протоном, тоже может быть обнаружен. Этот нейтрон, встретившись с ещё одним протоном, содержащимся в сцинтилляторе, образует дейтон (ядро дейтерия, тяжёлого изотопа водорода). При этом возникает гамма-квант, который может быть зарегистрирован. Одновременная регистрация позитрона и гамма-кванта повышает вероятность того, что детектор зафиксировал антинейтрино, а не сработал в результате какой— либо помехи.