Сокровища звездного неба

Зигель Феликс Юрьевич

Когда, сжавшись, ядро звезды достигает плотности 10 ¹⁴г/см ³и температуры 200 миллиардов кельвинов в оболочке, окружающей ядро, возникает взрывная реакция выгорания кислорода и углерода. Сверхмощная ударная взрывная волна увлекает за собой часть оболочки звезды, и в этот момент мы наблюдаем с Земли вспышку сверхновой.

Возможны два варианта. Если масса ядра звезды меньше 2.5 массы Солнца, то в результате взрыва сверхновой ядра железа и других тяжелых элементов распадаются на протоны и нейтроны с последующим превращением (за счет реакции с электронами) всех протонов в нейтроны. Так возникают нейтронныезвезды, существование которых было предсказано

еще в 1934 г.

Если же масса ядра звезды больше 2.5 массы Солнца, то взрыв звезды приводит к образованию так называемой «черной дыры». Эти теоретические схемы подтверждаются фактами.

В августе 1967 г. неожиданно с помощью радиотелескопов были открыты странные источники радиоизлучения, названные пульсарами.Интенсивность их излучения колеблется с очень небольшим периодом, в среднем близким к 0,75 с. При этом самый большой из известных периодов равен 4,8 с, а наименьший — 0,033 с. Характерно, что в некоторых случаях колебания излучения захватывают и ультрафиолетовый и видимый глазом участки электромагнитного спектра. Расстояния до пульсаров (их ныне известно более 350) лежат в пределах от 100 до 25 000 световых лет, то есть все известные ныне пульсары находятся в пределах нашей звездной системы — Галактики.

Поразительна стабильность периодов пульсаров: на протяжении. например, полугода они сохраняются с точностью до 10 ^{– 8}с. Заметим, что амплитуда колебаний излучения пульсаров и их блеск не остаются постоянными. Они меняются, причем неправильным образом. Иногда на несколько месяцев пульсар исчезает для земных наблюдателей, чтобы затем вновь появиться в поле зрения радиотелескопов или других приемников излучения. В некоторых случаях зарегистрировано систематическое постепенное уменьшение среднего блеска пульсара, что, вероятно, связано с какими-то его эволюционными изменениями. Зато периоды пульсаров со временем увеличиваются, хотя и очень медленно.

Судя по ряду признаков, срок пребывания звезды в состоянии пульсара не превышает нескольких миллионов лет. Отсюда следует, что наблюдаемые ныне пульсары — объекты молодые. Каждое тысячелетие в Галактике образуются от одного до десяти пульсаров. «Бывших», или «застывших», пульсаров в Галактике должно быть в тысячи раз больше, чем пульсаров активных, ныне действующих.

По современным представлениям пульсары — это нейтронные звезды, поперечники которых близки к 20—40 км, а плотность невообразимо велика (порядка 10 ¹²г/см ³). Теоретические расчеты показывают, что нейтронные звезды должны очень быстро (несколько оборотов в секунду) вращаться вокруг оси и обладать мощным собственным магнитным полем (напряженность порядка миллиарда эрстед!).

Не подумайте, что колебания невидимого излучения нейтронных звезд вызвано, как у цефеид, их пульсациями. Причина тут несколько сложнее.

Представьте себе, что магнитная ось нейтронной звезды (т. е. прямая, проходящая через ее магнитные полюсы) не совпадает с осью ее вращения, а, скажем, перпендикулярна к ней. По некоторым теоретическим соображениям, основной поток радиоизлучения звезды заключен внутри некоторой конической поверхности с центром в центре звезды и осью, совпадающей с ее магнитной осью. Иначе говоря, на экваторе нейтронной звезды есть активная область («горячее пятно»), которая, подобно прожектору, посылает радиолуч в пространство. Если земной наблюдатель расположен на экваториальной плоскости нейтронной звезды, то при ее вращении радиолуч, подобно лучу вращающегося маяка, периодически будет «освещать» наблюдателя. В такие моменты радиоизлучение нейтронной звезды выглядит максимальным, а период колебаний ее излучения, очевидно, совпадает с периодом вращения звезды вокруг оси.

Хотя описанная «маяковая» модель пульсара ныне весьма популярна, многое в ней остается неясным. В частности, для объяснения «рентгеновских» пульсаров (т.

е. тех пульсаров, у которых периодически меняется их рентгеновское излучение) приходится предполагать, что на протяжении миллионов лет нейтронная звезда работает как мощный ускоритель элементарных частиц, а это в свою очередь нуждается в объяснении. Есть и другие трудности, пока не преодоленные теоретиками. Возможно, что процессы в пульсарах гораздо сложнее, чем мы их себе сегодня представляем.

Примером этого могут служить «сбои» в строго периодических колебаниях излучения пульсаров. Такие скачкообразные изменения периода весьма невелики и составляют миллионные его доли, но они существуют и требуют объяснения. Пришлось придумать необычную гипотезу о «звездотрясениях». Ее авторы предполагают, что нейтронные звезды имеют твердую кору, которая, как и сама звезда при ее быстром вращении, приобретает форму сплюснутого шара (сфероида). Говоря точнее, строение нейтронной звезды слоистое. Самый внешний слой, ответственный за излучение звезды, состоит из плотной плазмы. Глубже расположена еще более плотная твердая оболочка, прочность которой гораздо больше прочности любой стали. Как это ни удивительно, но при плотности электронно-ядерной плазмы выше 10 ¹⁰г/см ³она переходит в особое кристаллическое состояние с очень высокой температурой плав-ления.

Под твердой корой находится слой, где вещество нейтронной звезды напоминает сверхтекучую и сверхпроводящую жидкость. Наконец, самые глубинные, центральные области нейтронной звезды имеют плотность 10 ¹⁵г/см ³и температуру порядка миллиарда кельвинов. Кроме нейтронов и электронов здесь присутствуют также и такие тяжелые элементарные частицы, как гипероны. Когда с уменьшением периода вращения пульсара уменьшается его сплюснутость, на такого рода изменения твердая кора реагирует не постепенно, а скачкообразно. Распрямляясь рывками, твердая кора пульсара порождает «звездотрясения», которые и сказываются в «сбоях» периода пульсаров.

Заметим, что если земной наблюдатель не находится вблизи экваториальной плоскости вращающейся нейтронной звезды, то такая звезда и не проявит себя как пульсар. Действительно, известны, остатки бывших сверхновых звезд (газовые облака), в которых пульсары не найдены. Этот факт свидетельствует в пользу «маяковой» гипотезы, которая при всех своих недостатках все же, вероятно, отразила главные реальные особенности пульсаров.

Какова бы ни была истинная природа пульсаров, они проявляют себя как исключительно точные «космические часы», своеобразные датчики времени. Астрономы уже воспользовались этим свойством пульсаров, используя их для изучения вращения Земли, ее орбитального движения, проверки различных эталонов времени.

Рассмотрим теперь случай, когда взрывается весьма тяжелая звезда с массой, более чем в 2,5 раза превышающей массу Солнца. В этом случае при нарушении равновесия звезда будет как бы раздавлена массой своих верхних слоев. Произойдет катастрофическое гравитационное сжатие или, как говорят астрофизики, «гравитационный коллапс». Пpи этом произойдут события, истолкование которых дает теория относительности. Поясним кратко, о чем идет речь.

Для каждого космического тела существует так называемая вторая космическая скорость, определяемая формулой U _II= V2 аR,где a— ускорение силы тяжести на поверхности тела и R— его радиус. Для Земли U _II= 11,2 км/с. Это та минимальная, «параболическая» скорость, при достижении которой космический летательный аппарат сможет оторваться от Земли и отправиться в межпланетный полет. При меньшей скорости (от 7,9 до 11,2 км/с) он неизбежно останется искусственным спутником Земли. Заметим, что для Солнца U _II= 700 км/с.