Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

  
5
 
Мертвые звезды и черные дыры
 
Смерть в небе: как умирает звезда
Звезды рождаются, и звезды умирают, тем самым расчищая пространство для новой жизни, в том числе и для черных дыр, которые образуются из мертвых звезд. В космосе абсолютно все связано, и смерть там имеет свою привлекательность, – хотя и наводит ужас.
Несколько лет назад я был на симпозиуме в США, посвященном астроному Миллеру Госсу. Из сонного городка Сокорро, штат Нью-Мексико, он руководил двумя крупнейшими и наиболее успешными радиоинтерферометрами в Соединенных Штатах: VLA (Очень большой антенной системой) и VLBA (Антенной системой со сверхдлинными базами). Однако важнее было то, что он оказал поддержку многим молодым ученым, в том числе и мне. Коллеги со всего мира собрались отдать ему дань уважения. Чтобы отметить окончание симпозиума, он организовал поездку в одно из своих любимых мест. Мы поехали в знаменитый каньон Чако, где находится индейское поселение с поражающими воображение глиняными сооружениями, которые коренные американцы построили некогда в первом тысячелетии нашей эры. На краю этого поселения расположен небольшой огороженный участочек. Как рассказал нам бородатый рейнджер, прежде здесь обитал звездочет.
Я представил себе застывшую фигуру старого индейца, каждую ночь следившего отсюда за движением звезд. Когда же тьма рассеивалась и на землю, окрашивая все вокруг в цвет зари, падали первые солнечные лучи, для звездочета наступал самый величественный момент, ибо приход рассвета был для него важнейшим ежедневным ритуалом. Возможно, он чувствовал облегчение от того, что Земля и природа продолжают свое существование. Возможно, полагал восход символом течения времени. А может, просто радовался тому, что жизнь идет дальше, что появляется свет и Солнце согревает землю, пробуждая птиц и одаряя своим теплом скудную растительность.
Для предков жителей этого пуэбло каньон служил календарем. Они могли проследить точку восхода Солнца над крутым выступом утеса и по нему точно определить день года. Из-за движения Земли точка восхода Солнца немного смещалась осенью на юг, а весной – на север.
Старик, наблюдавший звезды задолго до прибытия в Новый Свет Христофора Колумба, мог, однако, увидеть и кое‐что еще, поскольку чуть менее тысячи лет назад произошло некое чрезвычайно редкое астрономическое явление. Не исключено, что найденный неподалеку петроглиф – это изображение как раз того яркого небесного объекта, который в один прекрасный день вспыхнул так ярко, что его можно было заметить даже днем.
В 1054 году люди в разных концах земного шара с изумлением наблюдали за странным небесным явлением; некоторые даже увидели в нем дурное предзнаменование и стали опасаться приближения великой катастрофы. Астрономы династии Сун в древнем Китае сделали точные записи об этом космическом чуде в своих хрониках, поведав о “звезде-гостье”, сиявшей на небосводе так же ярко, как Венера. О новой звезде написал даже один арабский врач.
Европейцы, возможно, тоже восхитились появлением днем в небе “яркого светила”, хотя задокументированных свидетельств этого, к сожалению, не осталось. Так что же за удивительный феномен заставил людей по всему миру написать о нем в своих хрониках?
Это была сверхновая, гигантский звездный взрыв [65]. Он произошел на расстоянии 6 000 световых лет в нашем Млечном Пути. Петроглиф в каньоне Чако, где когда‐то восседал старый индеец пуэбло, – это полумесяц, нарисованный красной краской на желтой скале. Рядом с ним видна большая, почти одного размера с Луной, звезда. Круглая, с исходящими из нее лучиками – словно бы запечатленная ребенком. “Именно так индейские художники того времени изображали сверхновую”, – сказал нам рейнджер из национального парка, хотя астрономы, составлявшие нашу группу, не очень этому поверили. Эксперты до сих пор спорят, изображена ли на рисунке знаменитая сверхновая 1054 года или что‐то другое [66]. Сам‐то я считаю маловероятным, что такое экстраординарное событие могло остаться незамеченным.
 
Вообразите себе звезду в виде воздушного шара, наполненного горячим воздухом. Из-за того, что воздух нагрет, шар остается надутым, но когда мы перестаем нагревать находящийся внутри него воздух, он остывает, давление падает – и шар сдувается. Звезды заканчивают свою жизнь примерно так же. Как только их топливо сгорает, они погибают. Как и когда они “умрут”, зависит от их массы. Легкие звезды – а их подавляющее большинство – живут долго и под конец жизни истощаются и начинают тлеть.
Продолжительность жизни нашего Солнца можно охарактеризовать как среднюю. Если бы оно начало вдруг коллапсировать, то “на старте” процесса еще могло бы включить свой “форсаж”. В сердце звезды – горячем ядре – скапливается продукт ядерного синтеза – гелий. При высоком собственном давлении взрывающейся звезды температура в какой‐то момент снова начнет расти, гелий превратится в углерод – и при этом высвободятся последние запасы энергии. В результате внешняя оболочка распухнет. Незадолго до своей гибели Солнце раздуется, превратится в красного гиганта и поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, даже Землю.
Звезды с массой больше массы нашего Солнца в последние моменты своей жизни выбрасывают в космос газ и плазму. В результате этого образуются принимающие удивительные формы планетарные туманности, которые при освещении их изнутри светом умирающих звезд окрашиваются в невероятные цвета. Это зрелище длится всего “одно мгновение космического ока”: в течение нескольких тысяч лет планетарные туманности исчезают. Такое их название может ввести в заблуждение, поскольку эти объекты не имеют с планетами ничего общего, но в XVIII веке, когда их обнаружили с помощью телескопов того времени, они выглядели, как далекие планеты, состоящие из газа.
В центре умирающих звезд скапливается спрессованный продукт ядерного синтеза, на который давит весь вес сгоревшей звезды. Это давление становится настолько большим, что атомы все сильнее прижимаются друг к другу – до тех пор, пока между ними не останется пустого места и они не выстроятся, так сказать, “плечом к плечу”. Давление электронов этих атомов будет препятствовать дальнейшему коллапсу звезды, поскольку электроны, которые вращаются вокруг отдельных атомных ядер, являются фермионами. Фермионы – физические “одиночки”: фермион не может “делить ложе” ни с одним другим фермионом. Когда ядро звезды слишком сожмется, давление фермионов станет противодействовать давлению гравитации и тем самым предотвратит полный коллапс выгоревшего ядра.
Если внешние оболочки звезды уже сброшены, то все, что остается от звезды, – это маленькое, плотно упакованное, ярко светящееся ядро из углерода: белый карлик размером с Землю, но тяжелый, как Солнце. Чайная ложка вещества, из которого состоит белый карлик (в каковой через несколько миллиардов лет превратится и наше Солнце), весит около девяти тонн – примерно как самосвал. Поверхность карлика остается очень горячей и продолжает излучать тепловую энергию в космос в течение очень долгого времени, но в конце концов мертвая звезда превратится в холодный кристалл углерода идеальной сферической формы – гигантский космический алмаз.
В этом процессе играют роль различные квантово-механические эффекты, рассчитанные индийским физиком Субрахманьяном Чандрасекаром, который в 1930 году, в возрасте всего девятнадцати лет, отправился на корабле в Англию, чтобы продолжить в Кембридже начатое в Индии изучение физики. В пути у него было много свободного времени, и он рассчитал максимальную массу, которой может достичь белый карлик, получив для нее значение, равное 1,44 массы Солнца.
А что произойдет с гораздо более тяжелой, чем наше Солнце, звездой, давление в которой поднимется до такой степени, что станет буквально невыносимым? Звезда, в восемь раз более тяжелая, чем Солнце, сможет подключить больше дожигателей для предотвращения своего коллапса. Ядро такого гигантского солнца станет выгорать слой за слоем (подобно очистке луковицы от слоев шелухи), и с каждым сгоревшим слоем будет высвобождаться дополнительная энергия. Чем ближе оболочка к центру, тем горячее она становится, сжигая окружающее ее отработанное вещество предыдущего слоя, – в результате чего образуются все более тяжелые атомные ядра. Водород превращается в гелий, гелий превращается в углерод, углерод и гелий превращаются в кислород, кислород превращается в кремний, а кремний превращается в железо. Каждый последующий этап процесса выжигания протекает быстрее, чем предыдущий. Чтобы сжечь гелий и превратить его в углерод, требуется миллион лет, а сжигание всего кремния с образованием железа занимает лишь несколько дней.