Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

Нейтронные звезды образуются, когда гравитационный коллапс настолько силен, что все ядра внутри звезды разбиваются на протоны и нейтроны. Электронный газ, защищающий от коллапса белые карлики, здесь мгновенно разрушается. Сила гравитации в таких массивных объектах настолько велика, что процесс сжатия вызывает реакцию захвата электронов протонами с превращением последних в нейтроны. Образуется чрезвычайно компактное тело чудовищной плотности, которое похоже на гигантское атомное ядро, целиком состоящее из нейтронов, плотно прижатых друг к другу сильным взаимодействием. Фрагмент вещества такой высокой плотности с массой, равной массе горы Эверест, уместился бы в чайной ложке.

Словно специально, чтобы усилить впечатление, эти маленькие шары вращаются вокруг своих осей с немыслимой скоростью. Известны нейтронные звезды, совершающие полный оборот за несколько тысячных долей секунды. На поверхностях этих звезд при скорости вращения в сотню оборотов в секунду достигается линейная скорость, превышающая пятьдесят тысяч километров в секунду.

Звезды раскручиваются до таких скоростей из-за чудовищного сжатия во время коллапса. Медленное, спокойное вращение родительской звезды вокруг собственной оси все больше нарастает из-за сохранения углового момента. Если исходный период измерялся неделями или месяцами, то при сокращении радиуса от миллионов километров до нескольких десятков частота увеличивается до сотен оборотов в секунду. Так фигуристка на льду, прижимая руки к груди, заметно увеличивает скорость своего вращения, делая спортивный элемент намного зрелищнее.

Кроме того, быстрое уменьшение размеров звезды из-за гравитационного коллапса приводит к колоссальному усилению магнитного поля. Те же самые силовые линии, что простирались на миллионы километров вокруг большой звезды, теперь теснятся вокруг компактного шарика, и их плотность вырастает как от взрыва. Нейтронные звезды окружены экстремальными магнитными полями, в миллиарды раз превышающими поля обычных звезд.

Если магнитные полюса нейтронной звезды оказываются далеко от ее оси вращения, электроны и позитроны, остающиеся свободными на поверхности звезды, движутся ускоренно по направлению к полюсам, отчего возникает мощный электромагнитный луч, вращающийся вместе со звездой. Если Земля попадает в конус излучения этой своего рода радиостанции, мы можем зарегистрировать импульсный радиосигнал, обладающий строгой периодичностью, будто где-то там идут этакие чрезвычайно точные часы или работает очень мощный маяк, излучающий радиоволны вместо света. Это значит, что мы открыли пульсар.

Сингулярность в черной дыре

Когда масса звезды действительно аномально велика и превышает тридцать солнечных, в результате коллапса появляется черная дыра. Даже нейтроны не могут противостоять силе тяжести и в конце концов разбиваются на куски; даже их элементарные компоненты сильно сжимаются, и вся их остаточная масса концентрируется в практически бесконечно малом объеме.

Внутри таких образований действуют законы физики, нам еще неизвестные, и они позволяют нам рассуждать о том, что в некой недоступной области пространства, соответствующей нескольким десяткам километров в диаметре, сконцентрировано вещество массой от пяти до пятидесяти солнечных масс.

То ли из-за скрытого намека на самый частый кошмар – бесконечное падение в бездну, то ли из-за пережитого нашими предками в далеком прошлом страха быть разорванными на части и съеденными дикими зверьми, но факт заключается в том, что всякое упоминание черных дыр немедленно вызывает рефлекторный панический ужас.

Еще несколько лет назад черные дыры интересовали лишь пару тысяч специалистов, которые обсуждали эту экзотическую тему на своих конференциях, совершенно не подозревая, что скоро случится взрыв интереса к ней.

Идее, что на нашем небосводе могут быть несветящиеся звезды, как минимум пара столетий. Первым человеком, выдвинувшим эту гипотезу в 1783 году, был преподобный Джон Мичелл, натурфилософ и великий ученый того времени. Основываясь на корпускулярной теории света, построенной Ньютоном, Мичелл предположил существование звезд настолько компактных и массивных, что их мощная гравитация навсегда задерживала бы излучаемый с поверхности свет. Его корпускулы вели бы себя как камни, брошенные вверх: выписывая параболические траектории, они неминуемо падали бы обратно.

Но эта идея Мичелла казалась настолько спекулятивной, что никто не принимал ее всерьез на протяжении почти всех этих двухсот лет. Первая зарегистрированная брешь в этой завесе молчания относится к 1916 году, тому самому, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности. В том же году Карл Шварцшильд, немецкий физик, служивший в то время в армии на русском фронте, командуя артиллерийской батареей, сумел написать и опубликовать статью, которая навсегда останется в истории. Очень скоро после публикации статьи Эйнштейна Шварцшильд смог, используя переход в довольно специфическую систему координат, найти точное решение уравнений, для которых сам Эйнштейн нашел только приближенные решения.

Новый подход Шварцшильда заключался в том, что пространство-время предполагалось сферически симметричным. Тогда для всякой массы можно было определить радиус (позже названный именем Шварцшильда), за которым рождалась сингулярность: если вся данная масса оказывалась сосредоточена внутри области пространства, ограниченной сферой этого радиуса, то кривизна пространства-времени оказывалась настолько велика, что даже фотоны не смогли бы ее покинуть. Решение было настолько странным, что ни Эйнштейн, ни сам Шварцшильд не осмелились ни написать, ни даже как-то представить, что за найденным математическим фактом может скрываться новый класс небесных тел.

Только в 1960-е годы, а точнее в 1967-м, американским физиком Джоном Уилером было придумано выражение “черная дыра”. Сам Уилер вкладывал в него изрядную долю иронии, но при этом был едва ли не первым, кто в полной мере осознал, что речь тут может идти о реальных астрономических объектах и что здесь открывается новое поле научного поиска. С тех пор изучение черных дыр и поиск всех возможных признаков, по которым можно судить об их присутствии, наложили глубокий отпечаток на современную астрофизику.

1970-е годы были отмечены фундаментальным теоретическим вкладом Роджера Пенроуза[24] и Стивена Хокинга, а также первыми косвенными наблюдениями кандидатов в черные дыры. Их каталог пополнялся каждый год, вплоть до удивительного открытия сверхмассивных черных дыр в центре большинства эллиптических или спиральных галактик. Наконец, все помнят, что именно столкновение черных дыр, около тридцати солнечных масс каждая, позволило большим американским интерферометрам LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) в 2015 году впервые зарегистрировать гравитационную волну.

Черные дыры можно косвенным образом “увидеть” по тому, как они взаимодействуют с обычным веществом. Если черная дыра движется по орбите вблизи массивной звезды, возникающие приливные силы выдирают из последней огромное количество вещества: ионизированный газ, разгоняемый гравитационным полем черной дыры, которая готова его поглотить, образует ярко светящийся в очень широком диапазоне длин волн аккреционный диск. Зрелищности шоу часто добавляют видимые издалека струи вещества, выбрасываемого из полюсов со скоростью, близкой к