Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых - Айзек Азимов

Чем массивнее звезда, тем реже она встречается. Относительно мелкие звезды, относящиеся к сверхновым типа 1, встречаются по крайней мере в десять раз чаще, чем крупные, тяготеющие к типу 2. Поэтому можно было бы заключить, что сверхновые типа 1 имеют в десять раз большее распространение, чем сверхновые типа 2.

Но не тут-то было! Оба типа распространены одинаково. Отсюда мы можем сделать вывод: не каждой маленькой звезде дано в итоге стать сверхновой первого типа, такими станет лишь незначительное их меньшинство. Дело в том, что требования, предъявляемые к сверхновым типа 1, оказываются более жесткими, чем мы могли предвидеть. Это не просто звезда размером с Солнце, но особый тип звезды такого размера.

Здесь мы обратимся к химическим различиям между двумя типами сверхновых. Сверхновые типа 1 фактически не имеют водорода, что означает последнюю ступень их эволюционного развития. В самом деле, если звезда лишена водорода, но богата углеродом, кислородом и неоном, мы можем с уверенностью сказать, что это белый карлик, и прийти к выводу, что сверхновые типа 1 представляют собой взрывающиеся белые карлики.

Предоставленный сам себе, белый карлик не взрывается и во всех отношениях совершенно устойчив. Однако, как мы теперь знаем, белые карлики не всегда предоставлены сами себе. Иногда они являются частью тесной двойной звездной системы. В этом случае, когда звезда-компаньон в ходе своей эволюции, раздуваясь, превращается в красный гигант, ее вещество выплескивается в аккреционный диск, из которого масса периодически добавляется к белому карлику.

Мы уже видели, что масса, периодически добавляемая к белому карлику, будет нагреваться и сжиматься до того уровня, за которым начинается реакция ядерного синтеза. Происходит колоссальный взрыв, остатки аккреционного диска уносятся прочь, и белый карлик резко увеличивает свою светимость (временно) и виден с Земли как новая. Это повторяется через более или менее длинные интервалы времени.

В каждом случае образования новой часть массы аккреционного диска будет удерживаться белым карликом, так что его общая масса будет постепенно расти.

Но что будет, если белый карлик слишком массивен для своего ранга и обладает, скажем, 1,3 массы Солнца?

Или если его компаньон необычно массивен и, расширяясь, превращается в необычно крупный красный гигант в темпе гораздо скорейшем, чем средний? Или, например, имеют место оба эти случая?

При таких обстоятельствах белый карлик может очень скоро набрать столько массы, что выйдет за предел Чандрасекара, равный 1,44 массы Солнца. Когда это случится, белый карлик уже не сможет поддерживать себя как таковой.

Белый карлик коллапсирует и опадает. Он сжимается чрезвычайно быстро и с огромной силой прижимает ядра углерода и кислорода друг к другу. Весь он охватывается пламенем ядерной реакции, порождающей в кратчайшее время так много энергии, что возникает грандиозный взрыв, когда выделяется за несколько недель столько энергии, сколько наше Солнце выдает за всю свою многомиллиарднолетнюю жизнь.

Одним словом, коллапс белого карлика и ядерный синтез его вещества приводят уже к возникновению не просто новой, а сверхновой типа 1.

Взрыв первого типа разрывает звезду в клочья и может не оставить после себя никакой коллапсирующей звезды — ни белого карлика, ни нейтронной звезды, только вихревое расширяющееся облако пыли и газа. Новая Тихо Браге 1572 г. и Новая Кеплера 1604 г. были, по всей очевидности, сверхновыми типа 1: ни в том, ни в другом случае на их месте не обнаружено никаких нейтронных звезд — остались лишь одни туманности.

Сверхновые типа 2 тоже бывают в самом конце звездной эволюции, но на стадии не так далеко зашедшей, как у сверхновых типа 1. Сверхновая типа 2 возникает в звезде, которая достигла стадии красного гиганта. Однако это случается с крупными звездами, такими, которые минимум в 3–4 раза тяжелее нашего Солнца, и, чем массивнее звезда, тем крупнее бывает красный гигант.

Истинный красный гигант, подобно луковице, состоит из нескольких разных слоев. Наружный слой — это все тот же водород и гелий, т. е. смесь, из которой состоит большинство обычных звезд главной последовательности. За ним идет оболочка, содержащая ядра более массивных атомов, таких, как углерод, азот, кислород и неон. Далее вглубь — третий слой, богатый ядрами натрия, алюминия и магния. За ним — четвертый слой, несущий ядра серы, хлора, аргона и поташа. Пятый слой — само ядро звезды — заключает в себе ядра железа, кобальта и никеля.

Каждый последующий (нижний) слой складывается из продуктов слияния мелких ядер, которые еще имеются в наружном (верхнем) слое. Когда в звезде в ходе ее развития образовалось ядро из железа, никеля и кобальта, ее развитию приходит конец. Любое дополнительное ядерное превращение, связанное с этими ядрами, будь то слияние в более сложные или деление на менее сложные ядра, будет не высвобождать энергию, а, напротив, поглощать ее.

Когда железная сердцевина станет слишком большой, звезда достигает фазы, когда она не может больше вырабатывать достаточно энергии, чтобы удержать себя в раздутом состоянии. Внутренние слои сжимаются катастрофически, и энергия гравитации, освобождаемая при этом, взрывает, выталкивает наружные слои, попутно зажигая в них реакцию синтеза и производя тем самым еще больше энергии. Именно эта дополнительная энергия делает очевидной принадлежность звезды к сверхновой типа 2 и вызывает к жизни даже те ядерные реакции, которые идут с поглощением энергии.

Коллапсированное сжатое ядро такой сверхновой, скорее всего, превращается в нейтронную звезду, даже если его масса (за вычетом исчезнувших после взрыва внешних слоев) достаточно мала, чтобы позволить существование белого карлика. Коллапс звезды так катастрофически скоротечен, что ядро проскакивает «отметку» белого карлика, не успев там задержаться.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Однако даже в случае сверхновой типа 2 неизбежности образования нейтронной звезды не существует.

В 1939 г., когда Оппенгеймер разрабатывал теоретические обоснования нейтронной звезды, он изучал возможные последствия увеличения массы звезды. Вполне естественно, с увеличением массы вырастает и сила гравитационного поля.

Когда масса становится в 3,2 раза больше массы Солнца, гравитационное поле становится настолько сильным, что даже нейтроны, находящиеся в контакте друг с другом, не в состоянии выдерживать сжатие, создаваемое этим полем. Нейтроны коллапсируют, нейтронная звезда сжимается и постепенно становится все плотнее, а это значит, что гравитационное поле вблизи крошечной звезды становится еще сильнее, а ее сжатие еще быстрее.

Коль скоро нейтроны начали коллапсировать, в природе нет силы, способной остановить это сжатие. Так считал в свое время Оппенгеймер, и так считают ученые и в наши дни. Единственный вывод, к которому можно здесь прийти, — сжатие продолжается беспредельно, приближая звезду к нулевому объему и бесконечной плотности.

Это не значит, что мы просто имеем дело с нейтронной звездой, которая становится все плотнее и меньше. По мере продолжения сжатия здесь происходит важная перемена.

Чтоб уяснить природу этой перемены, представим себе объект, брошенный вверх от поверхности Земли. Объект движется вверх, а гравитационное поле Земли упорно тянет его вниз. В результате его направленная вверх скорость постепенно замедляется. Наконец объект застывает неподвижно и в следующее мгновение начинает падать.

Если бы гравитационное поле Земли было одинаково сильно на всем удалении от ее поверхности, это все равно бы случилось, какой бы большой ни была направленная от Земли начальная скорость. В конце концов после 100 м или 100 км или 100 000 км скорость была бы сведена к нулю, после чего наш объект начал бы падать и возвратился на Землю.

Однако гравитационное поле Земли неодинаково сильно на всем протяжении от Земли, оно ослабевает пропорционально квадрату расстояния от ее центра.

На поверхности Земли объект находится на расстоянии 6370 км от центра. На высоте 6370 км над земной поверхностью расстояние от центра удваивается, а сила земного притяжения уменьшается на одну четверть против того, каким оно было на Земле. С увеличением высоты оно продолжает уменьшаться по этому закону. На расстоянии до Луны сила земной гравитации равна всего лишь 1/3,5.

Если запустить объект вверх с достаточной скоростью, он может, так сказать, обогнать земное притяжение. Это притяжение будет стремиться пригнуть его вниз и замедлить его движение, но гравитация по мере продвижения его вверх будет слабеть так быстро, что постоянно уменьшающееся притяжение не успеет свести к нулю скорость удаляющегося объекта. Тогда наш объект может выскользнуть из гравитационного поля Земли и, избавившись от земного тяготения, бесконечно блуждать во Вселенной.