Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

С другой стороны, из наблюдений следует, что вспышки сверхновых I типа в спиральных и неправильных галактиках связаны с процессом звездообразования. Отсюда следует, что массы вспыхивающих звезд должны лежать в пределах 3—7 M

. Таким образом, с одной стороны, взрываются белые карлики, массы которых равны чандрасекаровскому пределу (в Е-галактиках), а с другой — сравнительно массивные звезды (в спиральных и неправильных галактиках), причем спектры и кривые блеска в обоих случаях совершенно одинаковы! По мнению автора этой книги, парадокс этот разрешается следующим образом. Если в процессе эволюции звезды в ней образовалось ядро, масса которого с точностью 1% равна чандрасекаровскому пределу, M_Ch, после отделения наружной оболочки оно взорвется как сверхновая I типа. Если же массы ядер больше M_Ch, то будет иметь место взрыв сверхновой II типа. Наконец, если масса ядра меньше M_Ch никакого взрыва сверхновой не будет и образуется белый карлик. Таким образом, открывается возможность понять явления вспышек сверхновых разных типов с единой точки зрения.

IV Звезды умирают

...Быть званным в большую сферу и чтобы не было видно, как ты там движешься — вот это и есть дыра!..

(Шекспир, «Антоний и Клеопатра», второй акт, седьмая сцена)

Глава 19

Нейтронные звезды и открытие пульсаров

Как уже говорилось во второй части этой книги, заключительная фаза эволюции звезды, наступающая после того, как будут в значительной степени исчерпаны ресурсы ее ядерного водородного горючего, существенно зависит от массы звезды. Мы подчеркиваем оговорку «существенно», так как, кроме первоначальной массы, на эволюцию звезды может влиять скорость и характер ее вращения, степень намагниченности, принадлежность звезды к тесной двойной системе (см. § 14) и, возможно, другие факторы. Все же роль первоначальной массы является решающей. В идеальном случае, когда рассматривается модель невращающейся, лишенной магнитного поля изолированной звезды, теория предсказывает три «исхода» жизни звезды в зависимости от ее первоначальной массы (см. часть II):

1. Если первоначальная масса ядра звезды меньше, чем (приблизительно) 1,2M

, то она после сравнительно кратковременной стадии красного гиганта превращается в белый карлик, который после остывания, через несколько миллиардов лет, становится холодным «черным карликом», т. е., образно выражаясь, мертвым космическим телом, «трупом» звезды. Об этом подробно рассказано в § 13.

2. Если первоначальная масса ядра звезды превосходила

1,2M

, но была меньше

2,4M

, то после исчерпания существенной части ядерного горючего произойдет катастрофа. Внутренние слои звезды под влиянием силы тяготения, которой уже не может противодействовать газовое давление, обрушатся к центру звезды. Почти одновременно с этим наружные слои звезды в результате взрыва будут выброшены с огромной скоростью порядка 10000 км/с. Это явление будет наблюдаться как вспышка сверхновой (см. часть III). Падая со скоростью свободного падения, за какие-нибудь несколько секунд внутренние слои звезды сожмутся в сотню тысяч раз. При этом объем звезды уменьшится в 10¹⁵ раз, ее средняя плотность во столько же раз увеличится и превзойдет ядерную, а линейные размеры станут всего лишь порядка 10 км. Достигнув таких размеров и такой плотности, звезда застабилизируется и ее дальнейшее сжатие практически прекратится. Опять образуется равновесная конфигурация, но уже в условиях, качественно отличных от равновесия «обычной» звезды. Физические свойства такого сверхплотного вещества, давление которого уравновешивает силу гравитационного притяжения «сколлапсировавшей» звезды, весьма необычны. Во многом они сходны со свойствами вещества атомного ядра, представляющего собой смесь сильно взаимодействующих протонов и нейтронов. Такой объект подобен макроскопической «ядерной капле». Отличие этого агрегата от ядерного вещества состоит главным образом в том, что для сколлапсировавшей звезды по причине ее большой массы фундаментальное значение имеет гравитационное взаимодействие ее элементов, между тем как для ничтожных по своей массе ядер гравитация несущественна. Вполне понятно, почему звезду, образовавшуюся в результате гравитационного коллапса, теоретики уже давно, еще в тридцатых годах нашего столетия, назвали «нейтронной».

Итак, взрывы сверхновых звезд сопровождаются образованием нейтронных звезд — качественно нового типа космических объектов, существование которых было давно предсказано теоретиками.

3. В случае, если масса ядра сколлапсировавшей звезды превосходит некоторый критический предел (около 2,5—3 M

), ее неограниченное сжатие под давлением силы гравитации уже ничем нельзя остановить. При этом нейтронная звезда как стабильное образование возникнуть не может. Ничем не компенсируемая сила гравитации будет сколь угодно сильно сжимать вещество коллапсирующей звезды, размеры которой будут становиться сколь угодно малыми. Звезда будет сжиматься в точку, но... Но здесь выступают на первый план парадоксальные закономерности общей теории относительности. Из-за огромного значения гравитационного потенциала эффекты общей теории относительности, которые в «нормальных» космических условиях совершенно ничтожны по величине, здесь становятся решающими. Связанная с такой ситуацией увлекательнейшая проблема черных дыр, являющаяся сейчас едва ли не центральной проблемой астрономии, будет рассматриваться в § 24. А здесь мы подробно рассмотрим не менее интересную проблему нейтронных звезд.

Из трех видов «продуктов» заключительного этапа эволюции звезд (белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры) первыми были обнаружены астрономическими наблюдениями белые карлики (см. часть II). Важно еще раз подчеркнуть, что в этом случае практика намного опередила теорию. Белые карлики были, так сказать, «эмпирически» открыты до того, как астрономы поняли, что такое звезда и почему она светит. К понятию «вырожденный газ» физики пришли значительно позже того как были открыты белые карлики. Конечно, ничего удивительного в этом нет — ведь в любом куске металла, известного человечеству еще со времен бронзового века, как оказалось, электроны находятся в вырожденном состоянии. Видеть и изучать это еще не значит понять, да и уровни понимания могут быть разные. Все же факт остается фактом: белые карлики были сначала увидены, а затем поняты.

Совсем по-другому сложилась ситуация с нейтронными звездами. Они были открыты теоретиками «на кончике пера» за треть столетия до того, как их реально обнаружили астрономы. А в XX веке треть столетия — это очень большой срок! Причина такого запоздания в открытии нейтронных звезд вполне понятна: их, как это сразу же стало ясно, очень трудно обнаружить астрономическими наблюдениями. Если размер космического тела всего лишь 10 км, то даже при расстоянии до него, равном расстоянию до ближайших звезд (

10 световых лет), его нельзя обнаружить, пользуясь самыми мощными телескопами. В самом деле, если температура поверхности такого тела (моделирующего нейтронную звезду) такая же, как на поверхности Солнца, т. е. 6000 К, то абсолютная звездная величина его

30^m, а видимая звездная величина будет всего лишь 27^m. Между тем предельная звездная величина слабейших астрономических объектов, доступных крупнейшим современным оптическим телескопам, составляет около 24^m. Если поверхность нейтронной звезды будет так же горяча, как у самых горячих из известных оптической астрономии звезд (

100 000 К), то она все равно не сможет быть обнаружена. И это даже тогда, когда предполагаемое расстояние до нейтронной звезды так неправдоподобно мало! В действительности расстояния до ближайших нейтронных звезд, скорее всего, порядка нескольких десятков световых лет. Отсюда ясно, что все попытки обнаружить нейтронные звезды оптическими методами должны были быть обречены на неудачу.

Начиная с 1964 г., однако, ситуация с возможностью наблюдений нейтронных звезд, казалось бы, резко изменилась. Возникновение

рентгеновской астрономии ознаменовало собой новый этап в многолетних поисках возможностей обнаружить нейтронные звезды и тем самым доказать реальность их существования. Подробно об успехах рентгеновской астрономии будет рассказано в § 23. Здесь мы только заметим, что уже сразу же после открытия первых космических источников рентгеновского излучения возникло подозрение, что это и есть долгожданные нейтронные звезды. На первый взгляд, для такого предположения были вполне достаточные основания. В самом деле, только что образовавшаяся в результате гравитационного коллапса нейтронная звезда должна иметь исключительно высокую температуру, порядка нескольких миллиардов кельвинов (см. § 18). Допустим, для простоты расчетов, что температура поверхности такой звезды равна одному миллиарду кельвинов. Тогда следует ожидать, что такой объект будет излучать как абсолютно черное тело с этой температурой, причем максимум излучения по закону смещения Вина

_mT = 0,3 будет соответствовать длине волны

_m = 3

10^{– 10} см = 0,03 A, а соответствующая энергия квантов излучения h

400 кэВ, т. е. будет приходиться на область очень жестких рентгеновских лучей. Согласно закону Стефана — Больцмана единица поверхности такого объекта (т. е. 1 см²) будет излучать в рентгеновском диапазоне чудовищную мощность

T⁴ = F = 10³² эрг/см²

с, а вся сверхгорячая нейтронная звезда будет излучать мощность L = 4

R²F

10⁴⁵ эрг/с, где R = 10⁶ см — радиус нейтронной звезды.

Величина L непомерно велика: достаточно сказать, что вся наша звездная система — Галактика, состоящая из сотни миллиардов разнообразнейших звезд, излучает во всем спектральном диапазоне только

10⁴⁴ эрг/с. Если бы даже температура T была равна 10⁸ К (это довольно умеренная оценка температуры «новорожденной» нейтронной звезды), то L была бы

10⁴¹ эрг/с, что также представляет собой очень большую величину. Максимум излучения в этом случае приходился бы на рентгеновские кванты с энергией h

40 кэВ. В этом более мягком диапазоне энергий рентгеновских квантов как раз и работает большинство существующих приемников космической рентгеновской радиации. Допустим теперь, что такая горячая нейтронная звезда находится на противоположном краю нашей Галактики, скажем, на расстоянии r

60 000 световых лет, или 6

10²² см. Тогда поток рентгеновского излучения от нее будет F

2,5

10^{– 7} эрг/см²

с, а это в сотню раз больше потока рентгеновского излучения от самого яркого источника Скорпион Х-1 в этом «жестком» диапазоне (см. § 23). Между тем техника современной рентгеновской астрономии позволяет измерять потоки в несколько миллионов раз более слабые.

Казалось бы, все хорошо! Тем более, что и спектр у ряда рентгеновских источников вполне можно было истолковать как спектр нагретого до температуры в несколько десятков миллионов кельвинов «черного» тела. На какой-то миг создалось впечатление, что таинственные нейтронные звезды — гордость теоретической мысли XX века — наконец-то обнаружены. Увы, природа и на этот раз оказалась намного сложнее и богаче, чем примитивные представления о ней, бытовавшие в умах большого количества ученых. Расчеты показали, и при том со всей убедительностью, что первоначально горячие нейтронные звезды остывают катастрофически быстро. Например, при очень высоких температурах вещества действует совершенно специфический механизм охлаждения, связанный с аннигиляцией пар электронов и позитронов и образованием нейтрино

и антинейтрино

:

(19.1)

При более низких температурах нейтрино будут образовываться при реакциях

(19.2)

Образующиеся в большом количестве нейтрино будут беспрепятственно выходить из нейтронной звезды, унося с собой огромное количество энергии, что приводит к ее быстрому остыванию. Расчеты показывают, что уже спустя примерно месяц после рождения нейтронной звезды температура ее поверхности станет ниже 10⁸ К. На самом деле остывание нейтронной звезды может происходить еще быстрее, потому что вещество нейтронной звезды, по-видимому, находится в сверхтекучем состоянии. Итак, новорожденные нейтронные звезды остывают слишком быстро, чтобы их можно было отождествлять с рентгеновскими источниками [ 45 ] .

45

Следует все же заметить, что некоторые «молодые» нейтронные звезды (возраст меньше 10 ⁵ лет, а температура поверхности больше 10 ⁶ К) могут быть обнаружены по их тепловому рентгеновскому излучению, Таких объектов, однако, сравнительно мало.