Пять возрастов Вселенной

Адамс Фред

Нейтронные звезды

Несмотря на невероятно высокую плотность белых карликов, нейтронная звезда является еще более плотной формой звездного вещества. Типичная плотность белого карлика превышает плотность воды «всего лишь» в миллион раз. Однако ядра атомов гораздо плотнее — примерно в квадрильон (10 ¹⁵) раз плотнее воды, или в миллиард раз плотнее белого карлика. Если звезду сжать до невероятно высокой плотности атомного ядра, звездное вещество может достигнуть экзотической, но стабильной конфигурации. При этих высоких значениях плотности электроны и протоны предпочитают существовать в форме нейтронов, так что, по существу, все вещество пребывает в форме нейтронов. Эти

нейтроны вырождаются, и давление, создаваемое ими, опять-таки в силу действия принципа неопределенности, сдерживает звезду от гравитационного коллапса. Нейтронная звезда, которая образуется В результате весьма напоминает отдельное атомное ядро гигантских размеров.

Непостижимо высокие плотности, необходимые для образования нейтронной звезды, естественным образом достигаются во время коллапса, который массивная звезда переживает в конце своей жизни. Центральная область звезды, дошедшей до поздней стадии эволюции, превращается в вырожденное железное ядро, которое в ходе гравитационного коллапса сжимается, инициируя вспышку сверхновой, после которой зачастую остается нейтронная звезда. Кроме того, нейтронные звезды могут образоваться в результате коллапса белых карликов. Если белый карлик медленно увеличивает свою массу, приобретая ее от звезды-спутника, ему иногда удается избежать гибели во вспышке сверхновой и сжаться, превратившись в нейтронную звезду.

По сравнению с белыми и коричневыми карликами нейтронные звезды встречаются относительно редко. Ведь они могут образоваться лишь в результате гибели звезд, масса которых при рождении более чем в восемь раз превышает массу Солнца. Эти массивные звезды представляют собой лишь высокомассовый «хвост» распределения звездных масс. Подавляющее большинство звезд слишком малы. Лишь каждая четырехсотая звезда рождается достаточно большой, чтобы взорваться и оставить после себя нейтронную звезду. Но даже несмотря на столь малые шансы, достаточно большая галактика будет содержать миллионы нейтронных звезд.

Масса типичной нейтронной звезды примерно в полтора раза превышает массу Солнца. Так же, как в случае с белыми карликами, которые существуют благодаря давлению вырожденного электронного газа, давление вырожденных нейтронов не способно поддерживать остаток звезды произвольно большой массы. Если масса становится слишком большой, гравитация побеждает давление вырожденного газа и звезда сжимается. Максимально возможная масса нейтронной звезды лежит в промежутке между двумя и тремя массами Солнца, однако точное ее значение нам не известно. При непостижимо высоких плотностях, которых достигает вещество в центре нейтронной звезды, оно приобретает весьма экзотические и несколько неопределенные свойства. Несмотря на то, что нейтронные звезды тяжелее Солнца, их радиус достаточно мал: всего десять километров. Маленький размер вкупе с большой массой говорит о невероятной плотности вещества. Кубический сантиметр вещества (размером с кусочек сахара), из которого состоит нейтронная звезда, весит почти столько же, сколько миллиард слонов!

Черные дыры

Четвертым возможным вариантом гибели звезды является ее превращение в черную дыру. После взрыва и угасания самых массивных звезд может остаться объект, масса которого превышает допустимый максимум для нейтронной звезды (значение, находящееся между двумя и тремя массами Солнца). Достаточно массивный звездный остаток не может существовать за счет давления вырожденного газа и должен коллапсировать, превратившись в черную дыру. Аналогичным образом, полностью сформировавшиеся белые карлики и нейтронные звезды могут приобрести дополнительную массу, как правило от сопутствующих им звезд, и стать слишком большими, чтобы существовать за счет давления вырожденного газа. Слишком тяжелые остатки, которые появляются в результате этого, также должны коллапсировать и иногда могут образовать черные дыры.

Черные дыры — странные создания: их гравитационные

поля так сильны, что их не может покинуть даже свет. Вообще-то, именно это свойство служит определяющей характеристикой черных дыр. Для этих объектов космическая скорость (скорость, которая требуется, чтобы оторваться от поверхности) превышает скорость света. В силу релятивистского ограничения скорости, наложенного Эйнштейном, — ничто не движется быстрее скорости света — черную дыру не могут покинуть ни частицы, ни излучение. И все же это несомненно строгое утверждение не является абсолютно истинным из-за действия принципа неопределенности Гейзенберга. По истечении весьма долгого времени черные дыры все же вынуждены будут отдать столь крепко удерживаемые в их тисках массы, но это случится лишь через большой срок по завершении эпохи распада.

Черные дыры невероятно компактны. Черная дыра с массой Солнца имеет радиус всего в пару километров (около одной мили). В качестве другого примера отметим, что черная дыра размером с бейсбольный мяч приблизительно в пять раз тяжелее Земли. Эти выдающиеся звездные объекты имеют еще очень много других экзотических свойств, которые будут рассмотрены в следующей главе.

Массивные звезды встречаются относительно редко, а черные дыры, образуемые ими, — еще реже. Менее одной звезды из трех тысяч имеет шанс стать черной дырой после завершения того этапа ее жизни, на котором она сжигает водород. По причине такой скудности эти дублеры звезд не будут играть важной роли, пока не завершится эпоха распада.

Помимо черных дыр, образовавшихся в результате гибели звезд, нашу Вселенную населяет еще одна разновидность этих объектов. Черные дыры, относящиеся к этому второму классу, находятся в центрах галактик. По сравнению с их звездными двойниками эти сверхмассивные черные дыры воистину огромны. Их масса составляет от одного миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца. Для сравнения, фактический радиус черной дыры, масса которой равна массе миллиона Солнц, превышает радиус Солнца приблизительно в четыре раза.

Сталкивающиеся галактики

В настоящее время наша Галактика, Млечный Путь, содержит сто миллиардов светящихся звезд, которые в совокупности выглядят как слабо светящаяся полоса, простирающаяся по ночному небу. В эпоху распада небо будет черным как смоль. Но самые большие галактики, удерживаемые от распада гравитационным действием холодных мертвых звезд и темной материи, останутся нетронутыми.

Однако самой неизбежной угрозой для обычных галактик типа Млечного Пути является вовсе не гибель составляющих их звезд, а скорее разрушительные столкновения с другими галактиками. Как правило, галактики существуют скоплениями или группами. От разлетания эти скопления удерживает действие гравитационного притяжения, причем каждая галактика движется через скопление по своей собственной орбите. Когда большие объекты с неплотной структурой, вроде галактик, проходят рядом друг с другом, они испытывают некоторого рода трение, заставляющее их сдвигаться к центру скопления. Вблизи центра скопления галактики располагаются относительно свободно и проявляют склонность к взаимным столкновениям.

Столкновения галактик окажут свое влияние на Вселенную уже в относительно близком будущем. Некоторые галактики сталкиваются даже в наше время — в эпоху звезд. Когда же Вселенная вступит в эпоху распада, эти галактические взаимодействия будут иметь все более важные следствия.

При столкновении галактик звезды, принадлежащие к двум исходным галактикам, смешиваются, образуя более крупную, но и менее организованную, составную галактику. Смешанная составная галактика, в отличие от отдельных дисковых галактик с изящной спиральной структурой, хаотична и аморфна. Во время столкновения галактика выпускает длинные полосы звезд, которые также называются приливными хвостами. Орбиты звезд становятся сложными и нерегулярными. Смешанная галактика весьма напоминает кашу.