Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

И этим все кончается! С энергетической точки зрения железо имеет самое компактное атомное ядро из всех. Если давление поднимется настолько, что железо будет плавиться с образованием новых элементов, то в этом процессе энергия будет уже не выделяться, а поглощаться, и, значит, потребуется закачка дополнительной энергии. И внезапно процессы, при которых все большее и большее количество энергии выжималось из атомов путем простого увеличения давления, перестают работать, вместо нагрева атомов происходит их охлаждение, и давление начинает снижаться. Последняя шаткая опора, поддерживающая ослабевшую старую звезду, выбивается из‐под ее ног, и она встречает свою смерть. В течение всего нескольких минут ядро взрывается, так как умирающая звезда больше не может выдерживать давление собственной гравитации.
Внутреннее давление в “звездном трупе” увеличивается до такой невообразимой степени, что разрушает даже плотно упакованные атомы, то есть ядро такой звезды становится тяжелее верхнего предела для массы белых карликов, рассчитанного Чандрасекаром. Но есть еще одна – последняя – остановка перед неизбежным и окончательным коллапсом. Электроны, обычно находящиеся на определенных расстояниях от атомных ядер, теперь вдавливаются в них и сливаются с протонами, превращая их в нейтроны, – и тогда внешняя оболочка атома сливается с ядром, в результате чего размер этих атомных остатков становится в 10 000 раз меньше обычных атомов.
Представим себе атом с электронной оболочкой размером со стадион “Рейн Энерги”, где играет моя любимая, но не очень успешная футбольная команда клуба “Кёльн”. Размер ядра в нем будет примерно соответствовать пятицентовой монете, положенной на центральную отметку поля, а это значит, что известная нам материя, состоящая из атомов, содержит огромные пустоты. Если атомы звезды превращаются в чистые нейтроны, то звезда сжимается и становится нейтронной звездой. Масштабы коллапса можно представить, если вообразить, что весь стадион стягивается в пространство, занимаемое маленькой монеткой. В нейтронной звезде масса, превышающая массу Солнца более чем в полтора раза, сжимается в сферу диаметром всего 24 километра. Плотность в ней невероятно высока. Пять миллилитров вещества нейтронной звезды будут весить 2,5 миллиарда тонн. Это эквивалентно тому, что массу, в 8 000 раз превышающую массу Кёльнского собора, мы поместим в одну чайную ложку.
Долгое время нейтронные звезды казались дикими фантазиями, но все изменилось 28 ноября 1967 года, когда Джоселин Белл и ее научный руководитель Энтони Хьюиш обнаружили в Радиоастрономической обсерватории Малларда в Кембридже странный радиосигнал [67]. Это открытие имело историческое значение. Сигнал состоял из многих коротких импульсов, которые приходили на Землю через определенные одинаковые промежутки времени. Объект был похож на космические тикающие часы, поэтому его назвали пульсаром. Сначала оба ученых немного опешили от точности, с которой воспроизводился интервал между импульсами, и полушутя назвали радиообъект LGM, что расшифровывалось как “маленькие зеленые человечки”. Вскоре, однако, выяснилось, что обнаруженный ими объект с огромной скоростью вращался вокруг своей оси и был чрезвычайно маленьким и необычайно тяжелым. На самом деле это была нейтронная звезда – мертвая звезда, тяжелая, как Солнце, и такая же большая, как Нордлингер Рис – старый кратер в Баварии, образовавшийся при падении метеорита. Не каждая нейтронная звезда становится пульсаром, но каждый пульсар – нейтронная звезда. Подобно космическому маяку, он посылает свои радиосигналы в космос в виде двух лучей света, которые достигают нас через равные промежутки времени и вызывают в небе вспышки “радиомолний”. Поскольку объект очень стабилен и массивен, он функционирует как гигантское балансирное колесо. Он “тикает” точнее любых атомных часов. Из-за необычайной стабильности пульсаров и воспроизводимости сигналов от них мы можем использовать пульсары в многочисленных экспериментах по проверке теории относительности [68]. Известным примером является двойной пульсар PSR J0737–3039 [69], который на самом деле представляет собой пару пульсаров, обращающихся друг относительно друга. Прецессия эллиптической орбиты, подобная прецессии, которую мы наблюдали у Меркурия и из‐за которой сердце Эйнштейна чуть не выпрыгнуло из груди, здесь происходит в 10 000 раз быстрее, и астрофизики рассчитали ее с точностью до пятого знака после запятой.
 
Превращение в нейтронную звезду – это впечатляющее событие, происходящее со звездами, масса которых более чем в восемь раз превышает массу Солнца. Такое сверхсолнце умирает эффектнее, чем это сделала бы наша собственная звезда – Солнце. Сгорание сверхсолнца сопровождается галактическим фейерверком. Под давлением коллапсирующей массы в ядре оно (ядро) внезапно превращается в нейтронную звезду, а остальная часть звезды взрывается со сверхзвуковой скоростью. Электроны и протоны мгновенно соединяются в атомном ядре, испуская большое количество легчайших нейтрино, которые еще больше увеличивают энергию внешней оболочки звезды. После этого разрушительная ударная волна, пронесясь через всю звезду и устремившись наружу, в конце концов разрывает звезду на части. Астрономы называют такой галактический взрыв сверхновой. Она вспыхивает в космосе, и это очень впечатляющее зрелище. Именно ему могли бы поразиться как коренные американцы в каньоне Чако, так и жители многих других уголков земного шара, наблюдавшие в тот момент звездное небо.
Давайте попробуем представить себе сверхновую: всего за долю секунды этот галактический взрыв высвобождает больше энергии, чем Солнце произвело за всю свою жизнь. Но даже сверхновой требуется несколько недель для того, чтобы весь свет прорвался через расширяющуюся внешнюю оболочку звезды. В результате иногда сверхновую можно наблюдать месяцами. В условиях экстремальных температур и давлений в сверхновой образуется много новых, более тяжелых, чем железо, элементов. Кобальт, никель, медь и цинк выбрасываются в космос в виде газовых облаков при температуре порядка миллионов градусов, и там горение продолжается.
Эти ударные волны распространяются в межзвездном пространстве со скоростью десятков тысяч километров в секунду, а их фронт имеет сферическую форму. Фактически они представляют собой массивные ускорители космических частиц, и некоторые атомные ядра разгоняются ими почти до скорости света. Они дрейфуют по Млечному Пути в межзвездном пространстве вдоль силовых линий турбулентного магнитного поля, а исчезающе малая их часть обрушивается на Землю в виде потока частиц высокой энергии, которые мы называем космическими лучами.
Эти ударные волны мы можем наблюдать и сегодня. В 2009 году один из моих бывших студентов [70] обнаружил новый источник радиоизлучения в соседней с нами галактике М82. Мы увидели яркое кольцо, излучающее радиоволны, которое расширялось со скоростью 12 000 километров в секунду в течение нескольких месяцев [71]. Исходя из скорости и размера объекта, мы смогли сделать вывод, что там была звезда, которая взорвалась годом раньше, – то есть мы открыли сверхновую 2008iz. Она пряталась за громадным облаком пыли и потому оставалась скрытой для всех других телескопов. Это был чрезвычайно увлекательный процесс – переживать самому, непосредственно, космическую драму, похожую на те, которые мы видели только в научно-фантастических фильмах или о которых читали в сухой академической литературе.
Сегодня мы все еще можем наблюдать остатки яркой сверхновой 1054 года. Она оставила после себя эффектную Крабовидную туманность, расположенную в Рукаве Персея нашего Млечного Пути. Эта туманность выглядит как разноцветное облако дыма и доказывает, что древние хроники не были сказками.