От чёрных облаков к чёрным дырам

Нарликар Джаиант

Обычная звуковая волна, распространяющаяся в воздухе или воде, производит изменения в давлении и температуре среды, но они малы и непрерывны. Это означает, что различия в соседних точках незначительны и не меняют резко общее распределение давления в окружающей среде. Но в ударной волне это не так! Такая волна возникает, если происходят внезапные, большие и разрывные изменения температуры и давления в соседних точках, как это случается при взрыве. Это резкое изменение быстро передаётся наружу через всю звезду и порождает два явления.

Одно

из них заключается во внезапном нагреве некоторых внешних частей звезды. Вспоминая луковичную структуру звезды (см. рис. 49), можно заметить, что в ней есть оболочки, состоящие из более лёгких элементов вроде кислорода или кремния. Эти оболочки внезапно нагреваются до температур порядка 4 млрд. градусов, когда ударная волна проходит через них. И хотя такой нагрев длится необычайно короткое время, всего не более чем несколько десятых долей секунды, он успевает включить цепную реакцию термоядерного синтеза. Этот синтез имеет характер взрыва, хотя он и не приводит к большим изменениям в составе звезды. Тем не менее, как будет видно в конце главы, такой взрыв оказывает весьма драматическое и длительное влияние на окружающую среду.

Второе явление, связанное с ударной волной, заключается в том, что в веществе, входящем в оболочку звезды, возникают большие направленные от центра скорости. Эти скорости так велики, что оболочка (до тех пор объединённая с центральным ядром звезды силами взаимного притяжения) просто отрывается. Для звезды наступает момент истины.

Внезапное освобождение и сброс оболочки и есть то явление, которое известно как взрыв сверхновой. На начальных стадиях взрыва звезда высвобождает за короткое время столь огромное количество энергии, что в эти краткие мгновения славы (перед смертью!) она своим светом затмевает свет целой Галактики, состоящей из сотен миллиардов спокойно светящих звёзд. Неудивительно, что 4 июля 1054 г. такой взрыв был виден на Земле даже днём.

На рис. 53 показано, как интенсивность света резко возрастает, а затем спадает в течение одного-двух лет после взрыва. Наряду со сверхновой (1054 г.) в Крабовидной туманности в нашей Галактике наблюдались ещё две сверхновые: одна в 1572 г. Тихо Браге, а другая — Иоганном Кеплером в 1694 г. За последнее время наблюдались и другие сверхновые, но не в нашей Галактике, хотя, по оценкам, в Галактике каждые сто лет должны происходить от 2 до 3 взрывов сверхновых. Не все эти сверхновые видны — их видимый свет сильно поглощается встречающейся по дороге межзвёздной пылью (см. гл. 4).

Рис. 53. Кривая схематически показывает, каким образом интенсивность света (логарифмический масштаб) быстро возрастает на ранних стадиях существования сверхновой, а затем медленно убывает

Взрывающиеся звёзды, не только излучают огромное количество света, они также выбрасывают наружу частицы вещества очень большой энергии. Этими частицами являются электроны, нейтрино и ядра атомов, образованных в глубинах звезды. В результате окружающее звезду пространство заполняется этими выбросами от сверхновой. Обнаруживаемые во Вселенной тяжёлые ядра на самом деле родились в горячих сердцевинах звёзд и были выброшены наружу при звёздных взрывах⁹⁷¹. Таким образом, то вещество, из которого сделана Земля и, естественно, то, из чего сделаны мы сами!), имеет поистине бурную историю.

971 Звёзды более позднего поколения, образованные из вещества, содержащего выбросы сверхновых, с самого начала имеют в своём

составе тяжёлые ядра. Как описано в гл. 7, эти ядра способствовали началу CNO-цикла в более массивных звёздах.

Считается, что сверхновые являются источниками частиц больших энергий, приходящих в атмосферу Земли из космического пространства. Известные под названием космического излучения, эти потоки частиц регистрируются либо поднятыми на воздушных зондах приборами, либо детекторами, установленными на. Земле. Вдобавок к видимому, свету и космическому излучению сверхновая может испускать электромагнитное излучение. Очевидно, что если бы звезда превратилась в сверхновую на расстоянии, скажем, тридцать световых лет от нас, её излучение уничтожило бы жизнь на Земле. (Крабовидная туманность находится на безопасном расстоянии 6 000 световых лет.)

Можно ли знать заранее, собирается ли звезда взорваться? Пока что нет, но будущее развитие технологии может сделать это возможным. Расчёты показывают, что когда звезда приближается к моменту взрыва, необычайно резко нарастает образование нейтрино внутри звезды. Эти нейтрино легко выходят из звезды и движутся со скоростью света. Поэтому, если удастся построите чувствительные детекторы нейтрино, они смогут подать сигнал тревоги в тот момент, когда красный гигант соберётся стать сверхновой. К сожалению, нейтрино очень слабо взаимодействуют с остальным веществом и их необычайно трудно детектировать.

Отнюдь не каждой звезде уготована столь болезненная судьба. Точно так же, как доктора советуют людям не приобретать лишнего веса, чтобы прожить здоровую жизнь, это же можно «посоветовать» и звёздам! Расчёты звёздной структуры показывают, что только очень массивные звёзды с массой, приблизительно в 6 раз большей массы Солнца, становятся сверхновыми. Менее массивные звёзды также испытывают взрывы, но более слабые. Вещество из оболочки выбрасывается в таких взрывах короткими порциями, и звезда постепенно теряет массу. Эти порции вещества выглядят как дымовые кольца, испущенные звездой-«родителем», и называются поэтому планетарными туманностями. На рис. 54 показан пример планетарной туманности, возникшей в результате таких небольших по масштабу взрывов.

Рис. 54. Показанная здесь планетарная туманность возникла в результате выброса газообразного вещества звездой малой массы в сравнительно слабом взрыве

До сих пор мы сосредоточивали внимание на более эффектной судьбе, ожидающей внешние части взорвавшейся звезды. Но взорвётся ли звезда полностью, или какая-то часть сердцевины останется в целости? Хотя совершенно точный ответ на этот вопрос неизвестен, общепринято полагать, что какая-то часть ядра звезды переживает катастрофу. Что же будут собой представлять эти остатки звёздного взрыва? Ответ мы дадим в гл. 9.

Прежде чем закончить обсуждение взрывающихся звёзд, обратимся к недавно полученным свидетельствам того, что даже такие катастрофические события должны играть конструктивную роль в общей эволюции. СНОВА О РОЖДЕНИИ ЗВЕЗД

В гл. 5 обсуждались современные идеи, касающиеся рождения звёзд и происхождения планетных систем. Мы можем теперь ответить на первый вопрос, сформулированный в конце этой главы. Дело в том, что образование новых звёзд из межзвёздных облаков может сопровождаться или даже вызываться взрывом близлежащей сверхновой. Опишем два типа свидетельств, подтверждающих эту идею.