Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых - Айзек Азимов

Сначала полагали, что двойные звезды — явление очень редкое, но, чем больше изучалось небо, тем больше находили двойных звезд. Теперь признают, что до 70 % существующих звезд являются частью двойной, а может быть еще более сложной, системы, и как раз в меньшинстве оказываются единичные звезды типа нашего Солнца. Открытие одной бинарной звезды впоследствии привело к важнейшему успеху в астрономии.

Бессель, впервые измеривший расстояние до звезд, был занят наблюдением изменяющихся положений Сириуса, с тем чтобы потом определить расстояние до него. Он заметил, что положения светила были совсем не такими, какие можно было ожидать от параллакса. Сириус смещался по некоторой волнообразной линии в одном направлении. Эта волнообразность заставляла догадываться о том, что звезду подталкивает на эллиптическую орбиту какой-то близкий объект. Эта орбита в сочетании с собственным прямолинейным движением звезды и порождала вышеназванные волны.

Если звезда, подобная Сириусу, принуждена двигаться ощутимо волнообразно, это значит, что сила притяжения другого объекта должна быть огромной. Другим объектом может быть только звезда, все другое было бы ничтожно.

Бессель ничего не видел там, где, по его мнению, должна была находиться звезда, и все же в 1844 г. он пришел к заключению, что Сириус — это бинарная звезда с «темным компаньоном». «Компаньон, — думал Бессель, — это звезда, которая не видна, потому что вся дотла сгорела. Она бродит в космосе как почерневший призрак того, чем когда-то была».

В 1862 г. изготовитель телескопов американец Элвин Кларк (1832–1897) закончил новый телескоп и пробовал его на Сириусе, чтобы убедиться в резкости изображения. Резкость была хорошая, но… какая досада! Близ Сириуса мельтешила какая-то крупица света. Кларк, думая, что это дефект инструмента, тщательно проверил линзы — они были безупречны. Вновь всмотревшись в эту крупицу света, Кларк констатировал, что она находится там, где должен был бы находиться «темный компаньон» Бесселя, виновный в волнообразном движении Сириуса.

Да, это и есть «темный компаньон». Товарищ, или, как его еще называют, компаньон, Сириуса имеет звездную величину 8,4, т. е. он в общем-то не «темный», но какая разница, если мы в угоду точности назовем его «тусклым товарищем» Сириуса? Сегодня мы называем сам Сириус Сириусом А, а его темного, или тусклого, компаньона Сириусом В.

В 1893 г. немецкий физик Вильгельм Вин (1864–1928) открыл, что можно определить поверхностную температуру звезды по деталям ее спектра.

В 1915 г. американский астроном Уолтер Сидней Адамс (1876–1956) ухитрился исследовать слабейший спектр Сириуса В и обнаружил, что температура его поверхности неожиданно высока. Сириус В оказался горячее нашего Солнца, хотя и менее горячим, чем Сириус А.

Если Сириус В так горяч, а температура его поверхности 10 000 °C, то каждый квадрат его поверхности должен быть накален до сверкающего блеска, ярче, чем равновеликий квадрат поверхности Солнца. Почему же тогда Сириус В такой тусклый? Объяснение могло быть только одно: его поверхность слишком мала.

В настоящее время считают, что диаметр Сириуса В всего лишь 11 100 км, а потому он даже меньше Земли, диаметр которой 12 756 км. Однако он мал только по своим размерам.

Бессель знал об этом, даже практически на него не взглянув, по тому гравитационному воздействию, которое он оказывал на гигантский Сириус А. Этот мощный гравитационный эффект вовсе не стал меньше оттого, что Сириус В сравняли по размеру с небольшой планетой. По силе его тяготения было рассчитано, что он имеет массу порядка 1,05 массы Солнца; другими словами, вся масса Солнца будто бы втиснута в крошечный объем, меньший земного.

Средняя плотность Земли (если представить всю планету размешанной в однородную массу) составляет 5500 кг на кубический метр. Сириус В имеет плотность в 530 000 раз большую.

Таким образом, средняя плотность Сириуса В составляет 3 млн. кг в одном кубометре. Американская 25-центовая монета, сделанная из вещества Сириуса В, весила бы 1900 кг.

Однако Сириус В неодинаково плотен по всему объему. Он менее плотен у поверхности, и плотность его вырастает по мере продвижения вглубь, так что наибольшая его плотность приходится на ядро. (Это верно для всякого астрономического тела, включая Землю и Солнце.) Плотность Сириуса В в его центре составляет, по-видимому, 33 млн. кг/м3.

Когда впервые было обнаружено, что Сириус В очень мал, стало сразу очевидно, что его плотность гораздо выше, чем у самого плотного вещества на Земле.

Несколькими годами ранее это показалось бы нелепостью, но к тому времени, как Адамс сделал свое ключевое открытие относительно температуры Сириуса В, уже было известно, что атом состоит из чрезвычайно плотного крохотного ядра, окруженного почти не имеющими массы электронами.

На этом основании Эддингтон в 1924 г. высказал идею, что в таком объекте, как Сириус В, атомы расщеплены и ядра сближены между собой гораздо плотнее, чем в веществе, состоящем из целых, нерасщепленных атомов.

Вещество, состоящее из таких атомов и ядер, расположенных вплотную друг к другу, получило название вырожденного или «дегенерировавшего» вещества.

Поверхностное притяжение любого объекта зависит от его массы и расстояния от поверхности до центра (т. е. его радиуса). Например, масса Солнца в 333 500 раз больше массы Земли, радиус Солнца больше земного в 109,1 раза. Поэтому, находясь на поверхности Солнца, мы оказались бы в 109,1 раза дальше от центра объекта, чем на поверхности Земли. Увеличение указанного расстояния ослабляет силу притяжения, которую мы бы испытывали, окажись на поверхности Солнца.

Для определения поверхностной гравитации Солнца его масса должна быть разделена на квадрат его радиуса, т. е. 333 500/(109,1)2, что равно приблизительно 28. Другими словами, поверхностная гравитация Солнца в 28 раз превышает земную.

Возвращаясь к Сириусу В, мы должны иметь в виду, что, хотя его масса равна 1,05 солнечной, радиус этой маленькой звезды много меньше, чем у Солнца. Дистанция от поверхности до центра равна всего 0,008. Поверхностная гравитация на Сириусе В, таким образом, будет равна (1,05/(0,008)2)Х28, т. е. в 470 000 раз больше, чем на Земле.

Сириус В — такая крошечная звезда с температурой белого каления, и может служить примером белого карлика. А так как это звезда высочайшей плотности и малых размеров, то Сириус В — это сжавшаяся, или сколлапсировавшая, звезда.

Сириус В и все белые карлики — это звезды, уже не принадлежащие главной последовательности. В главной последовательности находятся звезды, ядерный синтез водорода в центре которых выделяет тепло, удерживающее звезду в расширенном состоянии. Когда водородное топливо иссякнет, звезда не сможет больше оставаться раздутой и ее собственное гравитационное поле заставит ее сжаться и превратиться в белый карлик.

В звездном населении галактики белые карлики составляют, по-видимому, 15 %. Это означает, что в галактике существует примерно 45 миллиардов белых карликов. Из-за малого своего размера они так тусклы, что различить можно только те из них, которые находятся в относительной от нас близости.

Поэтому Сириус В, ближайший к нам белый карлик, нельзя увидеть без телескопа даже в отсутствие ослепляющего света соседнего с ним Сириуса А.

КРАСНЫЕ ГИГАНТЫ

Похоже, что сегодня белые карлики — главный ключ к разгадке образования новых. Но не только они: имеется еще один тип звезд, с которым нам придется иметь дело, — тип звезд, которого тоже нет в главной последовательности.

Когда датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1873–1967) впервые в 1905 г. разрабатывал свою главную последовательность, он обратил внимание, что существует два вида красных звезд. Один из них — тусклые, другой — очень яркие; переходного вида нет.

Красная звезда выглядит красной оттого, что имеет холодную или самое большее нагретую докрасна поверхность, в то время как звезды такого типа, как наше Солнце, раскалены добела. Температура поверхности красных звезд, очевидно, не выше 2000 °C. Можно предположить, что такие звезды на единицу поверхности дают сравнительно мало света и если б они имели размер нашего Солнца или меньше, они поневоле должны быть тусклыми. Поэтому тусклость красных звезд не вызывает удивления. Но как объяснить существование очень ярких красных звезд?

Чтобы «прохладная» звезда светила очень ярко, надо предположить, что при слабом излучении на единицу поверхности общая поверхность такой звезды огромна, гораздо больше поверхности Солнца. Яркие красные звезды имеют диаметр в 100 раз больший, чем солнечный. Поэтому такие звезды, как Бетельгейзе или Антарес, называют красными гигантами.

Уже когда была определена главная последовательность, стало ясно, что красных гигантов в ней не будет. Конечно, разумно было предположить, что красные гиганты — это звезды в процессе рождения: они медленно уплотняются под влиянием собственной гравитации и по мере этого становятся все меньше и горячее.