Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых

Азимов Айзек

Каждый последующий (нижний) слой складывается из продуктов слияния мелких ядер, которые еще имеются в наружном (верхнем) слое. Когда в звезде в ходе ее развития образовалось ядро из железа, никеля и кобальта, ее развитию приходит конец. Любое дополнительное ядерное превращение, связанное с этими ядрами, будь то слияние в более сложные или деление на менее сложные ядра, будет не высвобождать энергию, а, напротив, поглощать ее.

Когда железная сердцевина станет слишком большой, звезда достигает фазы, когда она не может больше вырабатывать достаточно энергии, чтобы удержать себя в раздутом состоянии. Внутренние слои сжимаются катастрофически, и энергия гравитации, освобождаемая

при этом, взрывает, выталкивает наружные слои, попутно зажигая в них реакцию синтеза и производя тем самым еще больше энергии. Именно эта дополнительная энергия делает очевидной принадлежность звезды к сверхновой типа 2 и вызывает к жизни даже те ядерные реакции, которые идут с поглощением энергии.

Коллапсированное сжатое ядро такой сверхновой, скорее всего, превращается в нейтронную звезду, даже если его масса (за вычетом исчезнувших после взрыва внешних слоев) достаточно мала, чтобы позволить существование белого карлика. Коллапс звезды так катастрофически скоротечен, что ядро проскакивает «отметку» белого карлика, не успев там задержаться.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Однако даже в случае сверхновой типа 2 неизбежности образования нейтронной звезды не существует.

В 1939 г., когда Оппенгеймер разрабатывал теоретические обоснования нейтронной звезды, он изучал возможные последствия увеличения массы звезды. Вполне естественно, с увеличением массы вырастает и сила гравитационного поля.

Когда масса становится в 3,2 раза больше массы Солнца, гравитационное поле становится настолько сильным, что даже нейтроны, находящиеся в контакте друг с другом, не в состоянии выдерживать сжатие, создаваемое этим полем. Нейтроны коллапсируют, нейтронная звезда сжимается и постепенно становится все плотнее, а это значит, что гравитационное поле вблизи крошечной звезды становится еще сильнее, а ее сжатие еще быстрее.

Коль скоро нейтроны начали коллапсировать, в природе нет силы, способной остановить это сжатие. Так считал в свое время Оппенгеймер, и так считают ученые и в наши дни. Единственный вывод, к которому можно здесь прийти, — сжатие продолжается беспредельно, приближая звезду к нулевому объему и бесконечной плотности.

Это не значит, что мы просто имеем дело с нейтронной звездой, которая становится все плотнее и меньше. По мере продолжения сжатия здесь происходит важная перемена.

Чтоб уяснить природу этой перемены, представим себе объект, брошенный вверх от поверхности Земли. Объект движется вверх, а гравитационное поле Земли упорно тянет его вниз. В результате его направленная вверх скорость постепенно замедляется. Наконец объект застывает неподвижно и в следующее мгновение начинает падать.

Если бы гравитационное поле Земли было одинаково сильно на всем удалении от ее поверхности, это все равно бы случилось, какой бы большой ни была направленная от Земли начальная скорость. В конце концов после 100 м или 100 км или 100 000 км скорость была бы сведена к нулю, после чего наш объект начал бы падать и возвратился на Землю.

Однако гравитационное поле Земли неодинаково сильно на всем протяжении от Земли, оно ослабевает пропорционально квадрату расстояния от ее центра.

На поверхности Земли объект находится на расстоянии 6370 км от центра. На высоте 6370 км над земной поверхностью расстояние от центра удваивается, а сила земного притяжения уменьшается на одну четверть против того, каким оно было на Земле. С увеличением высоты оно продолжает уменьшаться по этому закону. На расстоянии до Луны сила земной гравитации равна всего лишь 1/3,5.

Если запустить объект вверх с достаточной скоростью, он может,

так сказать, обогнать земное притяжение. Это притяжение будет стремиться пригнуть его вниз и замедлить его движение, но гравитация по мере продвижения его вверх будет слабеть так быстро, что постоянно уменьшающееся притяжение не успеет свести к нулю скорость удаляющегося объекта. Тогда наш объект может выскользнуть из гравитационного поля Земли и, избавившись от земного тяготения, бесконечно блуждать во Вселенной.

Не исключено, конечно, что он может попасть в тиски другого, более массивного объекта, чем Земля, например Солнца, либо, встретив другое тело, столкнуться с ним или выйти на орбиту вокруг него.

Минимальная скорость, при которой движущийся объект способен вырваться с поверхности из гравитационного поля Земли, есть скорость ускользания. Для Земли такая скорость 11,2 км/с.

Более массивный объект, имеющий и более сильное гравитационное поле, потребует, естественно, на своей поверхности и большей скорости ускользания. Для Юпитера, например, эта величина составляет 80,5 км/с, для Солнца — 617 км/с.

Если звезда сжимается, гравитационное поле на ее поверхности становится все сильнее по мере приближения поверхности к центру, хотя общая масса звезды при этом может не меняться. Так Сириус В, первый белый карлик, исследованный учеными, обладает массой, примерно равной массе Солнца, но его поверхность гораздо ближе к центру, чем солнечная.

В результате поверхностная гравитация Сириуса В намного сильнее, чем у Солнца, и его скорость ускользания около 4900 км/с.

Чем выше скорость ускользания с астрономического тела, тем труднее вырваться из его плена и тем меньше вероятность, что кто-нибудь или что-нибудь сможет в действительности это сделать.

За последнюю четверть века наши ракеты достигли скоростей, дающих возможность вырваться за пределы земного притяжения, но если бы поверхностное притяжение нашей планеты каким-то образом выросло до притяжения Юпитера (не затрагивая нас лично), то всего нашего технологического арсенала оказалось бы недостаточно, чтобы послать ракету во внеземное пространство.

Нейтронная звезда с массой Солнца имела бы скорость ускользания порядка 200 000 км/с. В таких условиях, чтобы как-то оторваться от поверхности такого объекта, не хватило бы не только современной земной технологии, но и никогда бы и ничего бы не хватило. Единственными объектами, движущимися достаточно быстро, чтобы оторваться от поверхности нейтронной звезды, явились бы частицы очень больших энергий с низкой массой или же частицы, вообще не имеющие массы.

Смогли бы выскочить только электроны высокой энергии, а также нейтрино или фотоны, образующие свет и другое излучение.

При сжатии нейтронной звезды интенсивность гравитации продолжает расти беспредельно и скорость ускользания становится все выше и выше. В какой-то момент эта скорость достигнет значения 300 000 км/с. А это уже скорость света в вакууме, и, как доказал Альберт Эйнштейн (1880–1955) в 1905 г., максимально мыслимая скорость. Ничто, обладающее массой, не может достичь этой скорости, и даже частицы, не имеющие массы, двигаясь с этой скоростью, не могут ее превысить.

Это значит, что, когда коллапсирующая нейтронная звезда достигает этой стадии, ничто не может от нее уйти (за исключением очень редких случаев, которых мы здесь не будем касаться). Все, что ни попадает на нее, как бы падает в бесконечно глубокую шахту, из которой никогда ничему не суждено подняться. Даже свет не может вырваться оттуда. Американский физик Джон Уиллер (р. 1911), описывая это явление, назвал его черной дырой, и название это сразу же привилось.