Космические рубежи теории относительности
Шрифт:
РИС. 7.6. Закон сохранения момента количества движения. Делая пируэт, фигуристка прижимает к себе руки, и скорость её вращения сразу увеличивается.
Когда звезда очень велика, её магнитное поле распределено по многим миллионам квадратных километров её поверхности. Поэтому напряжённость магнитного поля во всех точках поверхности довольно невелика. Однако, умирая, звезда уменьшается в размерах. То магнитное поле, которое первоначально было распределено на большой площади, сосредоточивается на нескольких сотнях квадратных километров. При сокращении площади, занимаемой магнитным полем, его напряжённость тоже стремительно возрастает. Если бы звезда вроде Солнца сжалась до размеров нейтронной звезды, то напряжённость её магнитного поля увеличилась бы примерно в миллиард раз!
Подводя
РИС. 7.7. Строение нейтронной звезды. Астрономы считают, что нейтронные звёзды очень быстро вращаются и обладают мощными магнитными полями. Основные свойства пульсаров, по-видимому, определяет излучение, исходящее из северного и южного магнитных полюсов.
Основываясь на этих соображениях, можно нарисовать картинку (рис. 7.7), иллюстрирующую основные свойства нейтронной звезды. Сама нейтронная звезда очень мала - от 15 до 20 км в диаметре. Скорость её вращения очень высока, а направление мощного магнитного поля наклонено к оси вращения.
Необходимо учесть, что, хотя в недрах нейтронной звезды содержатся почти исключительно нейтроны, на её поверхности всё же имеется множество заряженных частиц (протонов и электронов). При попадании этих заряженных частиц в области сильных магнитных полей у северного и южного магнитных полюсов звезды они ускоряются и поэтому сильно излучают электромагнитные волны. Иными словами, вследствие взаимодействия заряженных частиц с магнитным полем вблизи северного и южного магнитных полюсов нейтронной звезды должны испускаться мощные потоки электромагнитного излучения. Но так как звезда в целом быстро вращается, то эти два пучка излучения должны кружить по небу. Если Земля окажется случайно на пути одного из этих пучков, то радиоастрономы зарегистрируют импульсы излучения всякий раз, когда пучок будет направлен по лучу зрения земного наблюдателя. В этом смысле нейтронная звезда работает как вращающийся луч маяка. Импульс излучения наблюдается всякий раз, когда пучок света идет по лучу зрения.
Все известные сейчас свойства пульсаров поддаются объяснению в рамках описанной модели нейтронной звезды - наклонного ротатора. И эта теория так хорошо соответствует данным наблюдений, что сейчас найдется мало астрономов, которые ещё сомневаются в существовании нейтронных звёзд. То, что когда-то считалось плодом чистой фантазии, оказывается, на самом деле существует в природе.
РИС. 7.8. Телевизионная установка для наблюдения NP 0532. Импульсы видимого света от пульсара в центре Крабовидной туманности были обнаружены с помощью телевизионной камеры и вращающегося диска с прорезями, который периодически перекрывал приходящий пучок света (с разными частотами).
Но если пульсар проявляет себя как быстро вращающаяся нейтронная звезда, то естественно задаться вопросом - почему наблюдаются только импульсы радиоволн? Может быть, удастся обнаружить также пульсацию видимого света? Эта мысль пришла на ум группе астрономов обсерватории Китт Пик в конце 1968 г. Они направили свой телескоп на звёзды в центре Крабовидной туманности и провели видеозапись их изображений с помощью телевизионной установки, показанной на рис. 7.8. Между телескопом и телекамерой они поместили вращающийся диск с прорезями. Вращая этот диск с разными скоростями, они могли прерывать входящий пучок света с разной частотой. Оказалось, что одна из звёзд действительно гаснет и вспыхивает в диапазоне видимого света 30 раз в секунду. Однако, несмотря на упорные поиски, такие вспышки света удалось наблюдать только у пульсара Крабовидной туманности (NP 0532, рис. 7.9).
РИС. 7.9. Пульсар NP 0532. На этих двух телевизионных изображениях звёзд в центре Крабовидной туманности пульсар NP0532 виден сначала во время вспышки, а затем в перерыве между вспышками. (Ликская обсерватория.)
По мере того как объяснение пульсаров в качестве нейтронных звёзд постепенно завоевывало общее признание, астрофизики стали всё чаще обращаться к расчётам, касающимся природы «мёртвых» звёзд. В ЭВМ вводились в виде программ данные о физических законах и необходимых математических операциях; тем самым астрофизики ставили перед ЭВМ задачу рассчитать характерные черты структуры белых карликов и нейтронных звёзд. На рис. 7.10 приводится взаимосвязь между массой и плотностью мёртвых звёзд. Устойчивым звездам, которые могут существовать в природе, соответствуют только два участка кривой, выданной ЭВМ. Из графика видно, что плотность в центре белого карлика составляет около 60 тонн на кубический сантиметр. Однако в центре нейтронной звезды плотность столь велика, что в кубическом сантиметре содержится около 2 миллиардов тонн вещества!
РИС. 7.10. График зависимости массы от плотности для мёртвых звёзд. Плотность вещества белого карлика составляет около 60 т/см3 В нейтронной звезде плотность равна примерно 2 миллиардам тонн на кубический сантиметр.
Кроме данных о взаимосвязи между массой и плотностью в недрах мёртвой звезды, рис. 7.10 содержит ещё один важный сюрприз. Вспомним, как важен предел Чандрасекара: белый карлик не может обладать массой, превышающей примерно 1,25 массы Солнца. Давление вырожденных электронов оказывается попросту недостаточно сильным, чтобы поддерживать больше чем 1,25 солнечной массы. Однако существует также верхний предел массы нейтронной звезды: не может существовать нейтронных звёзд с массой более примерно 2,25 солнечной! Выше этого критического предела давление вырожденных нейтронов в свою очередь оказывается недостаточным, чтобы поддержать умирающую звезду.
РИС. 7.11. График зависимости массы от диаметра для мёртвых звёзд. Белые карлики обладают примерно такими же размерами, как Земля. Поперечник нейтронных звёзд составляет всего 15-20 км.
На рис. 7.11 показана зависимость между массой и диаметром для мёртвых звёзд. Здесь тоже чётко прослеживаются верхние пределы масс для белых карликов и нейтронных звёзд. Можно думать, что при учёте быстрого вращения эти верхние пределы должны значительно возрасти. Во вращающейся звезде атом испытывает наряду с направленной внутрь силой тяготения ещё и центробежную силу, обусловленную вращением звезды и направленную наружу. На рис. 7.11 сплошная линия изображает зависимость для невращающейся мёртвой звезды. Пунктиром здесь же дана кривая для мёртвой звезды, вращающейся на пределе механической прочности. Устойчивые мёртвые звёзды соответствуют заштрихованной области между этими двумя предельными кривыми. Как и ожидалось, при наличии вращения предельные массы белых карликов и нейтронных звёзд оказываются больше, но ненамного. В результате таких расчётов астрофизики пришли к убеждению, что не может существовать нейтронных звёзд с массами, превышающими примерно три солнечные.
Существование верхнего предела массы нейтронной звезды приводит нас к альтернативе. Наблюдения двойных звёзд свидетельствуют о том, что во Вселенной существуют звёзды с массами до 40 или 50 солнечных. Расчёты процессов эволюции звёзд говорят о том, что массивные звёзды стареют очень быстро. Предположим, что умирающая массивная звезда не выбросит всё лишнее вещество в космическое пространство, вспыхнув как сверхновая. Пусть поэтому оставшаяся от звезды мёртвая сердцевина обладает массой более трёх солнечных масс. Такая звезда не может стать белым карликом, так как её масса значительно превышает предел Чандрасекара. Такая звезда не может стать и пульсаром, ибо её масса слишком велика, чтобы её могло выдержать давление вырожденного нейтронного газа. Короче говоря, физика не знает никаких сил, которые были бы способны поддерживать вещество этой звезды. Умирающая звезда, мёртвая сердцевина которой содержит вещества более трёх солнечных масс, просто становится всё меньше и меньше. Направленная внутрь всесокрушающая сила веса миллиардов миллиардов тонн вещества не может встретить достойного сопротивления. По мере сжатия звезды напряжённость гравитационного поля вокруг неё становится всё больше и больше. Теория Ньютона уже не может правильно описывать явления, и астрофизикам приходится обращаться к общей теории относительности Эйнштейна. В ходе продолжающегося сжатия нарастает искривление пространства-времени. Наконец, когда звезда сожмется до поперечника в несколько километров, пространство-время «свернется» и звезда исчезнет! А то, что останется, называется чёрной дырой.