Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

• Название: Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры
• Автор: Артур Миллер
• Издательство: КоЛибри
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-389-02245-4

Артур Миллер, известный американский историк науки (сейчас живет в Лондоне), повествует о выдающихся открытиях астрофизиков XX века. В центре рассказа — судьба индийского физика, лауреата Нобелевской премии Субрахманьяна Чандрасекара, чьи теории во многом сформировали наши сегодняшние представления о Вселенной. Книга Миллера — об эволюции звезд, о белых карликах, красных гигантах, нейтронных звездах и о самых таинственных космических объектах — черных дырах, жадно пожирающих материю и энергию.

---

В 1962 году Ландау попал в автомобильную катастрофу, после которой уже не мог полноценно работать, и Я. Б. Зельдович стал бесспорным лидером советской теоретической физики. Он был автором десятков книг и статей. Стивен Хокинг, один из самых знаменитых в мире ученых-астрофизиков, встретив Зельдовича, был поражен, узнав, что это — один человек; на Западе считалось, что под его именем работает группа авторов, иначе как можно было объяснить такую феноменальную производительность труда? В знак признания научных достижений и вклада в советскую атомную программу Я. Б. Зельдович был удостоен звания лауреата Ленинской премии и трижды — Героя Социалистического Труда[67].

Принимавшие участие в военных исследованиях ученые никогда не забывали полученных уроков. Возьмем, к примеру, Роберта Кристи. Его вклад в разработку бомбы, сброшенной на Нагасаки, настолько велик, что ее часто называют «Устройство Кристи». Во время отпуска (он работал в Калифорнийском технологическом институте) в 1960 году Кристи решил «узнать что-нибудь о звездах» в Принстоне. И понял, что «математический подход в науке о звездах очень похож на тот, что мы разрабатывали в Лос-Аламосе во время войны. Я подумал, что теорию направленного внутрь взрыва, используемого в атомных бомбах, можно применить к определенным видам переменных звезд». Он восхищался работами Эддингтона и решил дополнительно изучить механизм, объясняющий свойства цефеид — переменных звезд. «Я всегда считал Эддингтона физиком, — писал он, — но на самом деле он великий астрофизик». Кристи был в восторге, когда Королевское астрономическое общество присудило ему за вклад в науку медаль имени Эддингтона.

Уилер также в полной мере осознавал тесную связь между бомбами и звездами. В начале 1950-х годов, воспользовавшись возможностями компьютера МАНИАК, он намеревался не больше не меньше как решить фундаментальную проблему физики — «судьбу больших масс материи». Он решил выяснить, что происходит с очень холодной материей. Под «холодной материей» он подразумевал ядро сгоревшей звезды, отдавшее последние остатки энергии. Уилер написал уравнения состояния для холодного вещества, учитывающие большие изменения плотности, принципы общей теории относительности и все, что было тогда известно о ядерных силах. Уилер участвовал в разработке атомных и водородных бомб и занимался исследованиями в области ядерной физики вместе с Бором (в конце 1930-х годов). Это дало ему возможность рассмотреть поведение вещества в широких интервалах температур и давлений. С ним работали два аспиранта — Б. Кент Харрисон и Масами Вакано. Они ввели в свои уравнения состояния данные о практически всех известных звездах. МАНИАК позволил им провести детальное исследование эволюции большого количества звезд, что без компьютера было бы невозможно. И Уилеру и его команде удалось получить поистине удивительные результаты. Стало ясно, что звезды с массой меньше предела Чандрасекара превратятся в белые карлики; сгоревшие звезды с большей массой будут продолжать сжиматься, пока не станут нейтронными звездами. Никаких промежуточных вариантов не оказалось.

Харрисон, Вакано и Уилер первыми занялись детальным исследованием эволюции звезд с массой более чем в восемь раз больше массы Солнца. (Их результаты используются и сегодня.) Большая гравитация такой массивной звезды создает гораздо более высокую температуру, чем внутри Солнца, и для сжигания водорода понадобится гораздо меньше времени — около 10 миллионов лет, после чего звезда начинает угасать. Первое, гелиевое, ядро охлаждается, начинает сжиматься, и под давлением гравитации температура поднимается снова до величины, при которой начинает выгорать гелий. Еще через миллион лет гелий выгорит, в результате чего образуется углеродное ядро, окруженное слоями водородного и гелиевого «пепла». Оно, в свою очередь, начинает охлаждаться, а затем сжиматься, температура поднимается, и ядро вновь воспламеняется — процесс повторяется снова и снова, все быстрее и быстрее, а более тяжелые элементы будут сгорать быстрее, потому что они более стабильны, но этот процесс будет порождать гораздо меньше энергии, чем предыдущие. Неоновое ядро сгорает за год, кислородное — за шесть месяцев, а кремниевое — за день. Звезда, масса которой в начале эволюции в восемнадцать раз больше массы Солнца, превращается в луковичную структуру, состоящую из слоев различных элементов.

Кремний — последний сгорающий элемент в звездном ядре. После его сгорания получается железное ядро, так как железо — это элемент с наиболее стабильным ядром. Для железа процесс синтеза или деления возможен, только если существует приток энергии. Образование железного ядра означает начало угасания массивной звезды. В этот момент его температура составляет миллион градусов Кельвина, а плотность равна 10 миллионов граммов на кубический сантиметр. Если рассмотреть «луковичную модель», то оказывается, что диаметр слоя «золы» кремния составляет 6400 километров, что в два раза больше Луны и в 50 миллионов раз ее массивнее. Внутри слоя кремниевой «золы» сидит железное ядро, диаметром 1600 километров. Звезда, которая к этому времени расширилась до 32 миллионов километров в диаметре, с огромной силой сжимает ядро.

Внутри звезды температура столь высока, что все атомы теряют свои электроны. Таким образом, ядро теперь состоит из ядер атомов железа и электронов, движущихся с околосветовой скоростью, — релятивистских электронов. Под действием силы тяжести луковичной структуры диаметром 32 миллиона километров эта смесь сжимается, и в конце концов электроны прорываются в ядра железа и смешиваются с протонами, вследствие чего возникают нейтроны и нейтрино, что порождает множество ядер элементов тяжелее железа, которые содержат больше нейтронов, чем обычные «нейтронно-избыточные» ядра. В конце концов число электронов падает, уменьшается давление вырождения, причем железное ядро становится твердым как камень, — а масса его выше предела Чандрасекара. Ядро становится также нестабильным и под действием огромной силы тяжести коллапсирует и превращается в нейтронную звезду[68].

Расчеты Харрисона, Вакано и Уилера также привели к невероятному выводу, что звезды с достаточно большой массой будут коллапсировать до тех пор, пока не исчезнут в никуда. Что могло бы предотвратить коллапс звезды, ее уход в небытие после стадии белого карлика и нейтронной звезды? На этот вопрос пытались найти ответ в свое время Эддингтон и Милн, и поиски его продолжались до 1960-х годов. Уилер и его команда не сумели найти причину такого поворота событий. Так чем же закончится коллапс ядра? Уилер подозревал, что при таких экстремально высоких температурах и давлениях вещество будет жить по каким-то новым, неизвестным пока физическим законам. Он предположил, что ответ будет найден в «неисследованной области между физикой элементарных частиц и общей теорией относительности», с помощью квантовой теории гравитации. Но решение пришло с совсем неожиданной стороны.

Глава 11 Как немыслимое стало мыслимым

Результаты расчетов Уилера показывают, что звезды с массой гораздо больше массы Солнца могут в конечном счете сколлапсировать в ничто. Эта идея казалась настолько безумной, что он сам отказывался верить в нее. Сложнейшие уравнения Уилер и его команда решали с помощью компьютера MANIAC. Итак, очень массивная звезда будет сжиматься, пока не станет невообразимо малой и невообразимо плотной. Ее гравитация будет столь сильной, что звезда стянет пространство вокруг себя и в какой-то момент поглотит его. Все это казалось совершенно абсурдным, а кроме того, отсутствовали астрономические данные, которые подтвердили бы теорию.

В 1958 году на Сольвеевской конференции по физике Уилер заявил, что далеко не все в его теории учтено. По-видимому, звезды каким-то образом могут избавиться от массы таким образом, что она станет меньше максимально возможной для нейтронной звезды. Уилер и его команда подсчитали, что эта масса примерно в два раза больше массы Солнца. Уилер настаивал, хотя у него не было никаких доказательств, что коллапс звезды каким-то образом может быть предотвращен.

Тогда только Оппенгеймер находил результаты Уилера интересными и имеющими смысл. У него был ответ на сложные вопросы Уилера: «Как звезда, масса которой больше критической, коллапсирует под действием гравитационных сил и, сжимаясь больше и больше, в конечном счете исчезает?» Но Оппенгеймера не поддержали — он не пользовался большим авторитетом среди астрофизиков, так как написал всего лишь несколько статей, основанных на чисто теоретических концепциях. А Уилер, наоборот, принимал участие в работе группы ученых, которая занималась применением ядерной физики к изучению структуры звезд. При всех имевшихся тогда теориях никто на практике не наблюдал, как именно звезды умирают, за исключением того случая, когда они становятся белыми карликами.