Жизнь сверхвезд
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Удивительные звезды, о которых говорил профессор Шкловский (смотрите прошлую статью), представляют собой физические тела большой массы, равной сотням миллионов солнечных масс. И главная особенность сверхзвезд — огромная сила притяжения, они со страшной силой притягивают к себе любое вещество, притягивают так сильно, что частицы вещества приобретают скорость, близкую к световой.
И наоборот, та скорость, которую должны иметь частицы для того, чтобы выскочить из поля тяжести этой звезды, так называемая вторая космическая скорость, которая для Земли равна 11 километрам в секунду, для этой сверхзвезды почти равна скорости света. Обычные звезды, например, наше Солнце, да и другие звезды нашей Галактики, находятся в состоянии механического равновесия: сила тяжести, которая притягивает вещество к центру, уравновешивается давлением горячего газа, состоящего из отдельных ядер и электронов.
Когда мы переходим к сверхзвездам, картина резко меняется. При огромной массе объектов и гигантской силе гравитационного поля вещество не может находиться в состоянии механического равновесия. Нет такого давления, которое могло бы противостоять силе тяготения. Поэтому можно представить, что в сверхзвезде вещество под действием сил притяжения падает на центр, то есть звезда стремительно сжимается.
Мы привыкли к тому, что самым мощным источником энергии являются ядерные реакции, или, как иногда неточно говорят, «атомная энергия». Энергия, выделяемая при превращении водорода в гелий (слияние ядер), в 3 миллиона раз больше энергии химического сжигания равного количества водорода. Но в космическом масштабе энергия, которую может дать сила всемирного тяготения, в принципе в десятки раз превосходит суммарную энергию любых ядерных реакций в звездах.
И вот вторая особенность сверхзвезд и заключается в том, что здесь гравитационная энергия гораздо больше ядерной. Ядерные реакции идут и там, но они на «втором плане», а на первом — огромная кинетическая энергия, которой обладает вещество, падающее на центр.
Казалось бы, такое сжатие должно закончиться столкновением и невероятной силы взрывом. Но здесь вступает в силу общая теория относительности Эйнштейна. Дело заключается в том, что сильное гравитационное поле и большая скорость, близкая к скорости света, которую приобретает вещество, падающее в этом поле тяжести, изменяют течение времени в сверхзвезде, замедляют его. Иначе говоря, для нас, далеких наблюдателей, вследствие изменения течения времени радиус звезды никогда не станет меньше определенного критического значения — звезда не сожмется в точку.
Теперь постараемся выяснить, что значит «изменяется течение времени». Представим себе космонавта на космическом корабле, приближающегося к сверхзвезде. Допустим, что у него стоит хронометр, который отсчитывает секунды. Каждую секунду космонавт посылает сигнал по радио, и эти сигналы принимаются где-то у нас на приемной станции. Забудем на время, что звезду отделяют от нас гигантские расстояния и сигнал идет долго.
Пока космонавт находится далеко от сверхзвезды, сигналы приходят к нам равномерно, через секунду. Но вот он попал в сферу притяжения огромного сгустка вещества, оно захватывает корабль и разгоняет до околосветовой скорости. В это время на приемной станции промежутки между сигналами все время увеличиваются.
Здесь складываются два эффекта: увеличение скорости (направленной к звезде) и замедление времени в окрестностях тела большой массы. В конце концов, последний сигнал, которым космонавт хотел сообщить, что он подлетел к определенному радиусу сверхзвезды, вообще никогда не будет принят.
Примерно такая ситуация наблюдается и для вещества наших объектов. Звезда неудержимо сжимается. Сначала сжатие идет медленно, потом ускоряется; но когда вещество подходит к критической точке, где его скорость приближается к скорости света, сжатие звезды для нас, далеких наблюдателей, замедляется. С нашей точки зрения, радиус звезды приближается к определенной конечной величине, никогда она не сожмется больше.
Известный физик Оппенгеймер, «отец атомной бомбы», еще в 30-х годах прошлого века изучал вопрос о судьбе звезд. В его последних астрономических работах 1938 года было показано, что любая звезда, которая в несколько раз тяжелее Солнца, в конце своей эволюции не сможет поддерживаться в равновесии, она будет остывать, давление газа в ней уменьшится, и она начнет сжиматься. Он установил, что сжатие такой звезды должно заканчиваться своеобразным угасанием звезды. Теория относительности предсказывает и такой удивительный факт: при «схлопывании» звезды гравитационное поле может так возрасти, что не выпустит наружу никакого излучения. Внутри звезды будут бушевать раскаленные массы, излучаться огромная энергия, но для нас звезда погаснет. Мы ее не увидим.
Чем тяжелее звезда, тем раньше наступит это сжатие. Состояние нашего Солнца не будет заметно меняться ближайшие несколько миллиардов лет, да и потом в окончательном итоге оно сожмется лишь до сравнительно скромной плотности, около миллиона граммов на кубический сантиметр. Однако звезда с массой, в сто раз большей солнечной, пройдет свой путь развития быстрее: за 30—50 миллионов лет.
Сколько таких угасших звезд? Некоторые считают, что их больше, чем ярких звезд. Но тут есть одна существенная поправка: если звезды вращаются, то до такого катастрофического сжатия дело может не дойти. В ходе сжатия будет увеличиваться скорость вращения звезд, и это приведет к тому, что звезда распадется на несколько других звезд и, может быть, выбросит часть вещества.
Возможно, именно здесь надо искать причины излучения. Сгустки выброшенного вещества падают обратно, разгоняются гравитационным полем, сталкиваются между собой, и в этих условиях энергия переходит в наблюдаемые формы светового и радиоизлучения.
Автор: Я. Зельдович.