От чёрных облаков к чёрным дырам

Нарликар Джаиант

В атмосфере вращающейся звезды существует поток электрически заряженных частиц (электронов). При вращении звезды вращается и её атмосфера, удерживаемая сильным гравитационным полем звезды. Поскольку внешние части этой карусели движутся много быстрее внутренних, заряженные частицы во внешних частях атмосферы имеют большие скорости, приближающиеся к скорости света. Известно, что такие быстрые частицы, находящиеся в магнитном поле, излучают электромагнитные волны. Это излучение вытянуто в узкий луч, похожий на луч вращающегося маячка.

Поэтому, если нам случается оказаться в области пространства, которую пронизывает луч пульсара, мы будем принимать импульсы излучения каждый раз, когда луч проскальзывает

мимо нас. Период пульсации, таким образом, просто равен периоду вращения нейтронной звезды вокруг своей оси. В альтернативном сценарии, предложенном Радхакришнаном и Куком, излучение пульсации идёт не из верхних слоёв его атмосферы, а с поверхности звезды, на которой расположены магнитные полюсы. Ещё рано говорить о том, что все детали процессов излучения пульсаров поняты до конца.

Вероятно, пульсар — единственный пример в астрономии, когда звезда была обнаружена сначала не оптическими средствами, а в ином диапазоне электромагнитных волн. Ограниченность объёма книги не позволяет углубляться в детали многих поразительных свойств пульсаров.

Вместо этого мы перейдём к заключительному этапу нашей звёздной одиссеи. Посмотрим, что случится с теми звёздами, которые чересчур массивны, чтобы удержаться на стадии нейтронной звезды, и у которых теперь нет ни ядерного топлива, ни давления вырождения, удерживающих звезду в равновесии.

Глава 10 ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

С момента рождения жизнь звезды — это непрерывная борьба за сохранение внутреннего равновесия против значительно превосходящих сил. Эти силы, конечно, порождаются собственной массой звезды, т.е. силой сжатия за счёт собственного тяготения. Либо за счёт термоядерного синтеза, либо за счёт давления вырождения звезде удаётся противостоять этой силе каждый раз, когда это необходимо, перестраивая свой внутренний состав и меняя внешний вид. Отдельные части диаграммы Г—Р, где содержатся звёзды главной последовательности, красные гиганты и белые карлики, а также невидимые нейтронные звёзды, показывают, какова степень приспособляемости звёзд к меняющимся условиям. В гл. 9 мы видели, что если масса звезды не превышает некоторых критических значений, она может продолжать существовать либо как белый карлик, либо как нейтронная звезда.

Но что случится с теми звёздами, которые слишком массивны, чтобы на финальной стадии превратиться в белые карлики или нейтронные звёзды? Эддингтон (см. гл. 9) правильно предсказал их судьбу, хотя он чувствовал, что эта судьба так удивительна, что, может быть, она не разрешена законами природы.

С тех пор как в 30-х годах Эддингтон высказал свои сомнения, общее отношение к этому вопросу изменилось. Дело не в том, что природа открыла нам какой-то драматический секрет, а в том, что астрофизики-теоретики в наши дни стали храбрее предлагать такие сценарии развития событий, которые старшим поколением рассматривались бы как чересчур радикальные и неприемлемые. Современные учёные во многом следуют завету Шерлока Холмса, легендарного детектива, созданного пером сэра Артура Конан Дойла: «После того, как вы исключили все невозможное, остающееся, пусть и невероятное, должно быть правдой».

Таким образом, тот сценарий, который Эддингтон полагал невозможным (звезда будет продолжать сжиматься, пока её собственное тяготение не завернёт назад все её излучение), в настоящее время является одной из самых популярных астрофизических идей. Соответствующий объект получил название чёрной дыры. Прежде чем обсуждать его свойства, приглядимся повнимательнее к той силе в природе, которая порождает этот объект, т.е. к силе тяжести. Когда звезда становится чёрной дырой, она наконец-то уступает победу гравитации! ГРАВИТАЦИЯ В РОЛИ ДИКТАТОРА

Хотя тяготение было первым из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе, законы которых были открыты и сформулированы в математической форме, оно все ещё во многом остаётся загадкой. Когда Ньютон установил закон тяготения

F = G m₁ m₂ ,

(1) r²

его спросили, почему существует такой закон. Знаменитый ответ Ньютона гласил: «Гипотез не измышляю». Ньютоновский подход был эмпирическим. Закон тяготения (1) объясняет движение планет и спутников и может быть проверен в других ситуациях. Вопрос о том, почему в природе существует такой закон, требует более глубокого понимания, которого не было у Ньютона. Но и сегодня, три столетия спустя, мы не понимаем этого.

Мы пойдём по пути Ньютона, возьмём этот закон, как он есть, и посмотрим на некоторые его приложения.

Немедленным следствием из формулы (1) является то, что если две массы (m₁ и m₂) велики, то сила тяготения также велика. Это объясняет, почему гравитационная сила практически несущественна для атомных частиц, но важна в астрономии. Возьмём, например, закон электростатического притяжения между двумя электрическими зарядами +e и -e , находящимися на расстоянии r друг от друга:

E = e² .

(2) r²

Заметим, что как электростатическая сила Е, так и гравитационная сила F являются силами притяжения, они увеличиваются при сближении частиц. Таким образом, отношение двух сил одинаково, при всех расстояниях r:

E/F = e²/Gm₁m₂

Для пары электрон—протон в атоме водорода это отношение равно десяти тысячам миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (10⁴⁰). Такое большое число объясняет, почему физики-атомщики не торопятся учитывать гравитационные эффекты в своих вычислениях: эти эффекты необычайно подавлены превосходящими электромагнитными силами.

Но астрономы имеют дело с электрически нейтральными большими массами. Таким образом, для этих тел электрическая сила E=0, а гравитационная сила F очень велика. Астроном не может исключить гравитацию из рассмотрения. Мы уже видели, что гравитация определяет весь жизненный цикл звезды.

Приведём пример, демонстрирующий «диктаторские замашки» гравитации. На рис. 62 показаны массы m₁ и m₂ соединённые резиновой лентой. На рис. 62, а лента растянута, так что массы находятся далеко друг от друга. Когда лента начинает стягиваться, массы m₁ и m₂ начинают сближаться. Если предоставить им эту возможность, они будут двигаться друг к другу. Но не слишком долго! Поскольку эти массы движутся под действием упругой силы, стремящейся сократить длину ленты, сама эта сила уменьшается. На рис. 62, б показано, что когда массы сблизились (и лента сократилась до нерастянутого состояния), на них уже не действует никакая сила.