Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

• Название: Белые карлики. Будущее Вселенной
• Автор: Алексей Левин
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2021
• ISBN: 978-5-0013-9373-3

Перед вами первая книга на  русском языке, почти целиком посвященная остывающим реликтам звезд, известным под именем белых карликов. А ведь судьба превратиться в таких обитателей космического пространства ждет почти все звезды, кроме самых массивных. История открытия белых карликов и их изучение насчитывает десятилетия, и автор не только подробно описывает их физическую природу и во многом парадоксальные свойства, но и рассказывает об ученых, посвятивших жизнь этим объектам Большого космоса. Кроме информации о сверхновых звездах и космологических проблемах, связанных с белыми карликами, читатель познакомится с историей радиоастрономии, узнает об открытии пульсаров и квазаров, о первом детектировании, происхождении и свойствах микроволнового реликтового излучения и его роли в исследовании Вселенной.

---

При всей молодости ММА она уже может похвастаться немалым числом успехов. Конечно, первый и главный – детектирование гравитационных волн, возникающих при столкновении и слиянии черных дыр и нейтронных звезд. Но не только. Например, в январе 2018 г. появилось сообщение о том, что анализ данных, полученных в ходе детектирования гравитационных волн от столкновения нейтронных звезд, позволил оценить чрезвычайно важный для теоретической астрофизики верхний предел массы нейтронной звезды, составляющий 2,26 масс Солнца. Хотя эта оценка нуждается в подтверждении, ее получение методами многоканальной астрономии само по себе очень важно.

Стоит упомянуть еще одно важнейшее событие, которое дополнило достижения многоканальной астрономии. Весной 2019 г. члены международной научной коллаборации EHT обнародовали «портрет» горизонта событий исполинской черной дыры, расположенной в ядре галактики М87. Реализация этого проекта потребовала, помимо всего прочего, обработки петабайтного объема первичной информации, собранной в ходе совместной работы восьми радиоастрономических обсерваторий, расположенных на разных континентах. Таковы масштабы современной многоканальной астрономии. И это ведь только начало!

3 Астроликбез первого уровня

Природа создает белые карлики на последней стадии активного существования совсем других звезд. Поэтому я начну с кратких сведений о законах звездной эволюции, которые еще не раз будут расширяться и уточняться.

Все звезды загораются одинаково, но кончают жизнь по-разному. Рождение звезды происходит в результате гравитационного стягивания чисто газового (как это было в юной Вселенной) или газопылевого (в следующие космические эпохи) облака и последующего поджога термоядерного горения водорода в его центральной зоне. Минимальная температура, необходимая для воспламенения водорода, составляет около 3 млн градусов. Согласно модельным вычислениям, для достижения этого порога масса протозвезды должна превысить 0,075 массы Солнца. Максимальные массы новорожденных звезд исчисляются сотнями солнечных, но, согласно некоторым астрофизическим моделям, на заре мироздания они могли достигать и 1 млн.

В финале своего существования звезды претерпевают различные превращения. Иногда они взрываются без остатка, а иногда дают начало объектам иной природы, которые принято называть компактными. Это белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Первые в среднем в 2 млн раз плотнее Солнца, вторые – где-то в 300 трлн раз. О плотности черных дыр говорить не приходится, поскольку они вообще не содержат вещества даже в самых экзотических формах и представляют собой сгустки поля тяготения, которое (по крайней мере, без учета квантовых эффектов) достигает бесконечных значений. Поэтому белые карлики – самые «рыхлые» из космических компактов, так сказать субкомпакты.

По происхождению белые карлики – тлеющие, но все еще весьма горячие остатки не особенно массивных нормальных звезд, успевших сжечь свое термоядерное топливо и потому обреченных на постепенное затухание. Самые легкие звезды перерабатывают водород в гелий и на этом останавливаются, а светила потяжелее в конце жизни производят на свет более тяжелые элементы. Если начальная масса звезды не больше шести-восьми солнечных масс, то в ее ядре после гелия образуются лишь углерод и кислород. Звезды потяжелее (до 10–11 солнечных масс), как считается, дополнительно вырабатывают неон и магний. Затем основной термоядерный синтез прекращается, и звезда вступает в последнюю стадию своей активной жизни. На этом этапе она дожигает оставшееся ядерное топливо и в процессе катаклизмических раздуваний и сжатий сбрасывает внешние слои. В конце концов от нее остается углеродно-кислородное ядро (возможно, с небольшим включением более тяжелых элементов), окруженное горячей газовой оболочкой. Это и есть типичный белый карлик. Существуют также белые карлики с чисто гелиевыми ядрами – это остатки самых легких звезд. Все сказанное справедливо только для звезд, не входящих в тесные пары – о них разговор особый.

Масса большинства белых карликов составляет от половины до 1,3 массы Солнца, а средний радиус не превышает 0,01 солнечного. Правда, есть и выдающиеся (в обе стороны) примеры. Масса самого легкого на сегодняшний день белого карлика, J0917+4638, равна 0,17 массы Солнца. Интересно, что в то же время он и самый большой, а потому и самый рыхлый: его радиус составляет 8 % солнечного (в надлежащем месте книги я вернусь к этому вроде бы явному парадоксу). Самый тяжелый из известных белых карликов, RE J 0317–853, как считается, тянет на 1,4 солнечной массы, что близко к максимально возможной массе этих объектов.

Температура ядра новорожденного карлика оценивается приблизительно в 100–150 млн градусов по шкале Кельвина – или просто кельвинов. Конечно, оно остывает, но чрезвычайно медленно. Как показывают расчеты, чтобы его температура уменьшилась в 25 раз, то есть достигла 4 млн кельвинов, нужно без малого полтора миллиарда лет. Время, за которое белый карлик охладится до температуры окружающего пространства (точнее, до температуры реликтового излучения), измеряется – самое меньшее – сотнями миллиардов лет. Кстати, первые теоретические оценки скорости остывания белых карликов были сделаны британским астрофизиком Леоном Местелом еще в начале 1950-х гг. и с тех пор неоднократно уточнялись.

4 Горячие светлячки космоса

Открытием первого белого карлика, как и открытием Урана, наука обязана Уильяму Гершелю. 31 января 1783 г. он наблюдал в свой телескоп звезду четвертой величины в южном созвездии Эридана. Эта звезда, удаленная – как мы теперь знаем – на 16,5 световых лет от Солнца, была известна под несколькими именами. В начале XVIII в. первый Королевский астроном Британии и основатель Гринвичской обсерватории Джон Флемстид включил ее в свой каталог под именем 40 Эридана (кстати, именно он ввел в астрономическую практику присвоение звездам индивидуальных номеров в каждом созвездии). Гершель заметил, что 40 Эридана имеет в качестве спутника гравитационно связанную звездную пару, то есть является частью тройной звездной системы. Эта пара состояла из совсем слабой красноватой звезды 40 Эридана С и чуть менее тусклого партнера 40 Эридана В, светящегося белым светом. Гершель внес ее в свой каталог двойных звезд, опубликованный в 1785 г. Позднее эти звезды не раз наблюдали и другие астрономы, однако считали их вполне рядовыми (за исключением того, что они были частью тройной системы) и особого внимания не уделяли. 40 Эридана В как раз и стала первым открытым белым карликом.

Следующий шаг сделал замечательный немецкий астроном и математик, основатель Кёнигсбергской обсерватории Фридрих Вильгельм Бессель (кстати, двойной тезка Гершеля). В 1844 г. он заметил слабые аномалии движения двух ярких звезд – α Большого Пса, Сириуса, и α Малого Пса, Проциона. Надо сказать, что это потребовало гигантских усилий. Бессель сравнил данные о видимом движении нескольких опорных звезд, собранные в течение 90 лет наблюдателями из Западной и Восточной Европы (в том числе и из России) и из Кейптауна. Ему удалось выявить очень малые (порядка нескольких угловых секунд) отклонения собственного движения Сириуса и Проциона от ожидаемой прямой линии на небесной сфере. Бессель предположил, что обе звезды входят в двойные системы, а эти отклонения объясняются притяжением их еще не открытых спутников.

Догадка оказалась верной, но Бесселю об этом узнать не довелось – два года спустя он умер от рака. В 1851 г. его преемник на посту директора Кёнигсбергской обсерватории Кристиан Август Фридрих Петерс показал, что пока еще невидимый спутник Сириуса обращается по сильно вытянутой эллиптической орбите с 50-летним периодом, что хорошо совпадает с современными данными.

Первыми спутник Сириуса наблюдали владелец небольшой бостонской оптической фирмы Элвин Кларк и его сын и тезка, Элвин Грэм Кларк-младший. Произошло это случайно. Ясным вечером 31 января 1862 г. они проверяли качество линз для телескопа-рефрактора, заказанного двумя годами ранее Университетом Миссисипи, но не оплаченного и не поставленного из-за начавшейся Гражданской войны. Поскольку труба телескопа не была готова, линзы смонтировали на временной раме, подвешенной к вращающейся стреле. Кларк-младший направил сборку на Сириус и буквально через несколько секунд заметил вблизи него очень тусклую светящуюся точку. Это и был предсказанный Бесселем спутник самой яркой звезды земного небосвода, о чем Кларки тогда не знали. Вскоре директор обсерватории Гарвардского колледжа Джордж Бонд сообщил об их открытии в American Journal of Science, особо отметив, что замеченное Кларками небесное тело может оказаться именно тем спутником Сириуса, о котором писали Бессель и Петерс. Когда этот номер журнала был доставлен в Европу, другие астрономы быстро подтвердили наблюдения Кларков. В том же году Французская академия наук присудила Кларку-старшему свою высшую ежегодную награду за астрономические исследования – Лаландовскую премию. А после того, как фирма Кларка в 1880-е гг. блестяще выполнила заказ Пулковской обсерватории на изготовление 76-см объектива для нового телескопа, он получил золотую медаль от Александра III. В общем, бостонский оптик-самоучка не посрамил памяти своего пращура Томаса Кларка, одного из пассажиров знаменитого «Мэйфлауэра».