Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн
Подождите немного. Документ загружается.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
191
191
Р аздел II. ОТ ЗВ Е ЗД К Ч Е Р Н Ы М Д Ы РА М
Звезды рож даю тся, ж ивут и
ум ираю т. А . Э ддингт он
Ч ерн ы е ды ры без волос.
Д . У илер
Ч ерн ы е ды ры не таки е уж
черн ы е.
С . Х окинг
Г л ав а 4. Б ел ы е к ар л и к и
§ 1. Б ел ы е к ар л и к и
К огда м ы созерц аем в лунную н очь звездное н ебо, н ам п редставляется, что он о
есть ц арство сп окой ствия и ти ш ин ы , что оно является н еизм енн ы м и п остоян н ы м ,
что ночное звездн ое небо, усеян н ое м илли ардам и м илли ардов звезд — вечн ы й
звездн ы й м ир. Н о это наш е обм анчи вое восп ри яти е н очно го звездн ого н еба. Н а
сам ом деле оно и зм ен чи во, в н ем прои сходят бурны е п роцессы эволю ц и и звезд:
звезды рож даю тся, ж и вут и ум и раю т, как все вещ и, собы ти я, явлени я в н аш ей
В селенной, где м ы — лю ди — ж ивем на м аленьком клочке Зем ли , затерян н ом на
краю п ери ф ери и н аш ей галакти ки, назы ваем ой М лечны й П уть. Зем ля дви ж ется со
скоростью 30 км /с вокруг своей оси , а вм есте с н аш и м С олнц ем она дви ж ется со
скоростью 300 км /с по отн ош ению к реликтовом у излучен и ю как вселен ской систем е
координат.
К огда-то во В селенн ой н е бы ло н и н аш его С олнц а, ни тех п ланет, которы е
вращ аю тся п о своим элли п ти чески м орбитам , в одн ом и з ф окусов которы х находится
наш е С олнц е, в котором сосредоточена п очти вся м асса всей С олнечн ой систем ы :
м асса С олнц а — M
составляет более 95 % всей м ассы С ол н ечн ой систем ы , а
остальн ы е 5 % приходятся на 9 п лан ет (М еркурий , В ен ера, Зем ля, М арс, Ю п и тер,
С атурн , У ран, Н еп тун и П лутон ). И м ен н о поэтом у наш е С олн ц е своим тяготен и ем
как си лой грави тационного при тяж ен и я удерж ивает и управляет дви ж ен и ем всех
план ет п о ис-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
192
192
кри влен н ом у и м ж е сам им п ространству вокруг себя: вся эта С олнечная си стем а
возни кла 10 м лрд лет том у назад.
В ся н аш а С олн ечная систем а н е является систем ой косм ологи ческого
происхож ден и я: она н е п редставляет собой первичн ого следствия Б ольш ого взры ва.
П о соврем ен н ы м п редставлени ям , С олнц е и все план еты , окруж аю щ ие его, возни кли
и п оявились и з вещ ества, вы брош ен н ого в косм ическое п ространство вспы ш кой
сверхн овой звезды : вспы ш ка сверхновой звезды произош ла где-то п обли зости от
будущ его н аш его С олн ц а.
Т аки м образом , наш е С олнц е н е является п ервичн ы м следстви ем Б ольш ого
взры ва: оно вторичн ого прои схож дени я, как следствие вспы ш ки сверхн овой :
сверхн овая звезда с м ассой более ш ести м асс С олн ц а, став н еустойчивой систем ой в
результате бурны х процессов в ее н едрах, катастроф ически взры вается, вы брасы вая
осн овн ую часть вещ ества в пространствен н ую бескон ечн ость. В ы брош енн ое таким
образом вещ ество катастроф и ческого взры ва сверхновой им еет первон ачальную
скорость до 1 О О О км /с: это вещ ество сверхновой в ходе св оего распространени я
см еш и вается с разреж ен н ы м вещ еством газоп ы левы х облаков. И з такого вещ ества
тяготени е как сила грави таци он н ого сж атия ф орм и рует и консти туи рует через
м и ллион ы (м и ллиарды ) лет п осле взры ва сверхновой С олнц е и си стем у его планет.
С олнце есть звезда, в недрах которой п рои сходят бурны е терм оядерны е
процессы превращ ени я водорода в гели й : ж и зн ь звезды оп ределяется
противоборством двух си л — силы терм оядерн ы х реакц и й п ревращ ен и я водорода в
гели й и си лы гравитационн ого сж ати я. Ж изнь звезды — дин ам ическое равновесие
м еж ду двум я эти м и си лам и: в результате терм оядерны х реакц и й п ревращ ен и я
водорода в гелий п рои сходи т энерговы делени е, которое в качестве вн утренн его
давлени я п роти востои т и проти водействует внеш н ем у сж ати ю гравитаци он н ой си лы .
Звезда ж ивет до тех п ор, пока вн утреннее давлен и е, вы зы ваем ое эн ерговы делени ем
терм оядерн ы х реакц и й , проти востои т и противодействует си ле гравитационного
сж ати я: как только закан чивается водородная эволю ци я в ядерном котле, в н едрах
звезды наступает коллап с как катастроф ическое грави тационн ое сж атие звезды .
Звезда, м асса которой составляет 1,4 M
⊙
м ассы наш его С олнц а, превращ ается в
белы й карли к: звезды в своей эволю ции становятся белы м и карликам и, если и х м асса
не п ревы ш ает 1,4 M
⊙
, что является пределом сущ ествован и я белы х карликов. Е сли
ж е м асса звезды больш е этого п редела (т. е. 2-3 M
⊙
), то такая звезда н е м ож ет бы ть
белы м карли ком : она станови тся н ейтрон н ой звездой. А если ж е м асса звезды больш е
3 M
⊙
, то судьба такой звезды — стать черн ой ды рой .
П редел 1,4 M
⊙
, как предел бы ти я белы х карли ков, н азы вается пределом
С убрахм аньяна Ч ан драсекара, которы й теоретически вы числи л и п редсказал этот
ф ун дам ен тальн ы й при н ц и п .
П редел 2-3 M
⊙
, как предел сущ ествовани я ней трон н ы х звезд, назы вается пределом
Л андау— О п п енгейм ера— В олкова.
Т еорем а о том , что м ассы звезд и други х косм ически х объектов (квазары и ядра
активн ы х галактик) превы ш аю т значи тельно 3 M
⊙
и что коллап с неизбеж но в этом
случае п ри водит к син гулярности , — теорем а С . Х оки н га — Р . П ен роуза, которая
является теорем ой н еизбеж н ости син гулярности.
Н и ж е нам и последовательно исследованы и рассм отрен ы белы е карлики ,
ней трон н ы е звезды и черны е ды ры как различны е вари анты ф и н альной стадии
эволю ц и и звезд.
Н ас ин тересует п реж де всего проблем а тяготени я, какова роль тяготени я как
си лы гравитационного сж атия: роль и значим ость грави таци он н ого притяж ения,
сж ати я
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
193
193
и коллапса ф ун дам ен тальны , начи н ая с образован и я из газоп ы левого облака,
состоящ его в осн овном из водорода и гелия, протозвезды , п ревращ ени я этой
протозвезды в н астоящ ую звезду, в н едрах которой заработал ядерн ы й реактор, ее
эволю ц и и и кон ечн ой судьбы звезд в ви де белы х карликов, нейтрон н ы х звезд и
звездн ы х черны х ды р. И м енн о тяготен и е как сила грави тац и он н ого п ри тяж ени я
(сж ати я, коллапса) является услови ем , о пределяю щ и м п роцесс установлени я
протозвезды и п ревращ ения этой протозвезды в звезду с ядерн ы м реактором , ее
эволю ц и и и ее кон ечн ой судьбы . В конечной ее судьбе (в качестве или белы х
карли ков, или н ейтрон н ы х звезд, или звездн ы х черн ы х ды р) происходи т посто янная
борьба и п роти воборство м еж ду главны м и действую щ им и силам и п ри роды —
ядерн ы м и и гравитационн ы м и . В о всем этом слож н ом , буйн ом и даж е
катастроф ическом проц ессе п обеда при н адлеж и т тяготени ю , влияние которого на
уровне элем ен тарны х части ц и атом арной м атери и ни чтож но и прен ебреж и м о м ало.
В м акром и ре круп н ы х структурн ы х образован и й (звезды , галакти ки, скоплени я и т.
д.) дом инирование и господство п ринадлеж ат тяготени ю как си ле грави тационного
притяж ен и я (сж атия, коллапса).
С ледовательно, тяготени е есть гр авитац и он н ая си ла, которая уп равляет звездн о -
галакти чески м м и ром : тяготени ю прин адлеж и т реш аю щ ая роль и значим ость в
строени и этого м ира, структури рован н ой его уп орядоченности в целостн ы х
си стем н ы х образовани ях и их эволю ци и . Н о этот звездно -галакти чески й м и р только
на п ервы й взгляд представляет собой спокой н ы й , м онотонны й , неп реры вн ы й м ир
постоянного повторени я. Н а сам ом деле этот звездн о -галакти чески й м и р —
неспокойн ы й м и р: в н ем происходят и будут происходи ть бурны е, н еистовы е и
яростн ы е процессы биф уркационной катастроф ы . В нем произош ли и п роисходят
неп рестан н ы е проц ессы см ен ы хаоса и порядка, устой чи вости и неустой чивости,
стабильн ости и н естабильности , сим м етри и , асим м етри и и спон танного наруш ени я
си м м етри и ; п роисходит катастроф и ческая см ен а п ри тяж ени я и сж ати я, сж ати я и
коллап са, коллапса и реколлапса, реколлапса и анти коллапса; прои сходи т в нем
постоянная см ен а буйства, н еистовства и ярости в катастроф и ческом взры ве
сверхн овой звезды , в ослепи тельн ой м ощ ности свети м ости квазаров и н езабы ваем ой
гран ди озности чудовищ ной светим ости ядер активны х галакти к.
В о всех этих яростн ы х, буйны х и н еистовы х проявлени ях биф уркационной
катастроф ы , где н еож идан н ы е проц ессы м гновен н ой см ен ы , турбулен тн ости , хаоса,
аттрактора и странн ого аттрактора, случай н ости , ф луктуац и и и упорядоченн ости
приводят к глубоки м и непредсказуем ы м изм ен ени ям , связанны м с великой
ф и лософ ской три адой м атери и , п ространства и врем ени : и тогом тяготени я является
си н гулярность как точка бескон ечности м атери и и искривленн ы х простран ства и
врем ени .
1. Т яготени е коллап сирует м атерию до бескон ечн ости м алого в син гулярности:
коллап с как катастроф ическое гравитаци он н ое сж ати е бесконечно больш ое
превращ ает в бескон ечн о м алое.
2. Т яготени е коллап сирует п ространство до бескон ечн о м алого: коллап с как
катастроф ическое грави таци он н ое сж ати е бесконечно больш ое пространство
превращ ает в бескон ечн о м алое.
3. Т яготени е коллапсирует бескон ечн о больш ое врем я до бесконечн о м алого
врем ени : коллап с как катастроф ическое гравитационн ое сж атие превращ ает
бесконечн о больш ое врем я в бескон ечн о м алое.
Т аки м образом , бесконечно больш ая плотн ость м атерии в сингулярн ости ли ш ен а
всякого различия и неодн ородности . В бескон ечн о больш ой п лотности м атери и все
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
194
194
неодн ородности сглаж ены , все лики и различия м атери и ун и чтож ен ы и п ревращ ен ы
в одн у гравитац и он н ую м ассу: эта м асса — кван товая м и крогравитационн ая м асса,
которая м ож ет бы ть н ам и осознана и п он ята в том случае, если будет создана
квантовая теори я м икрограви тации.
Значит, коллапс тяготен и я звезды заклю чается в катастроф ическом
превращ ен и и всего м акроскопического сущ его (м атери и : вещ ества, косм ического
тела, м олекул, атом ов, косм и ческого корабля с отваж ны м косм онавтом , т. е. всего
сущ его ф изического, хи м ического, би ологического, соци ального) в
м и кроскопическое сущ ее м и крограви таци он н ой м ассы .
Б ескон ечн ость и скривлен н ого п ространства-врем ени в си н гулярн ости означает,
что, во-п ервы х, п ространство ли ш ен о трехм ерн ости — дли н а, п лоскость, объем
превращ ены в нулевую точку. И ны м и словам и, в си н гулярности как п ространстве
нулевой разм ерн ости ун и чтож ен ы геом етри ческие и ин ы е (топ ологически е)
м ерн ости ; во-вторы х, врем я в си н гулярности п отеряло свою дли тельн ость, ход и
течени е: врем я в ней п отеряло и лиш и лось бега, т. е. свой ства «ран ьш е и п озж е».
С ледовательно, тяготени е как сила грави тационного тяготен и я (и сж атия, и
коллап са) есть ун и версальная и всепрон и каю щ ая (м атери я, п ространство и врем я)
си ла: эта си ла тяготени я — сила гравитации, превращ аю щ ая бесконечн о вели кое в
бесконечн о м алое и, н аоборот, бескон ечн о м алое в бескон ечно больш ое. В этом
состои т ф и лософ ская значи м ость и см ы сл тяготения как си лы гравитационн ого
притяж ен и я (и сж атия, и коллапса).
В этой связи с точки зрени я ф илософ ской логи ки целесообразно расчлен ени е
см ы слового значени я всех эти х трех асп ектов (притяж ени я, сж ати я и коллапса)
еди н ой си лы гравитац и и , которая, в зави сим ости от начальной м ассы объекта,
проявляется п о-разном у: гравитац ионн ое п ри тяж ение есть си ла искривлен и я
простран ства-врем ен и и , в зависим ости от этого и скривления структуры
простран ства-врем ен и , распределен и е и дви ж ени е м атериальны х тел: и скривление
простран ства-врем ен и уж е п редполагает си льное грави тационн ое п оле
(реляти ви стское) и, н аоборот, си льное реляти ви стское грави таци он н ое поле
искривляет сам ую структуру пространства-врем ени .
П од гравитац и он н ы м сж атием (в отличи е от п ри тяж ени я) м ы пон и м аем
грави тационны й проц есс, когда больш ой косм и чески й объект сж и м ается и
превращ ается в м аленьки й ком пактны й косм и ческий объект (белы е карлики ,
пульсары как н ей трон н ы е звезды и т. д.): вели кое сж им ается до ком п актн ого
м аленького.
Ч то касается коллап са, то коллапс — то ж е гравитационное сж атие, но
катастроф ическое сж ати е, при водящ ее неизбеж но к си н гулярности как бесконечн ой
точке триады м атери и , п ространства и врем ен и : эта бескон ечно больш ая три ада в
си н гулярности стан ови тся бесконечн о м алой.
Н аш а В селенная, где м ы ж ивем на м ален ькой планете Зем ля, затерявш ейся
среди ста м и ллиардов звезд, как н аш е С олн ц е, в галакти ке, н азы ваем ой М лечн ы й
П уть, которы й является точкой , н езам етной в м етагалакти ке, состоящ ей из 10
11
галакти к, — сам а п о себе представляет собой три един ство бесконечно великого,
бесконечн о больш ого и бесконечно м алого: н аш а В селенн ая начала с бесконечно
м алого (т. е. косм и ческой син гулярн ости), стала бесконечн о больш ой (звездн о -
галакти чески й м ир), а затем образуется бескон ечно вели кое (м етагалактика,
содерж ащ ая галакти ки , скоп лени я галакти к, сверхскоп лен и я): в этом стан овлен и и
бесконечн о м алого бескон ечн о больш им и бескон ечн о больш ого вели ким участвую т
все четы ре н ам известн ы е тип а ф ундам ен тальн ы х взаи м одействи й — си льн ое,
электром агн и тн ое, слабое и гравитацион -
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
195
195
ное. О дн ако если в целом п осм отреть н а становлен и е и структури рован и е наш ей
В селенной как суп ерсистем ы , то соверш енно очевидн о, что главн ая и реш аю щ ая
роль в этом п роцессе принадлеж ит, н есом нен н о, тяготени ю как си ле
грави тационного п ри тяж ени я (и сж ати я, и коллап са): тяготени е есть такая м ощ н ая и
гран ди озн ая си ла гравитац и он н ого п ритяж ени я (и сж атия, и коллап са), зави сящ ая
только от м ассы (и , следовательно, Е = М с
2
), которая обладает сп особн остью
орган и зовы вать и уп равлять В селенн ой в целом . (А другой си лой является
ан ти тяготен и е, ан тигравитаци я косм ического вакуум а; об этом м ы п одробно будем
говорить н есколько п озж е.)
Н о дело заклю чается н е только в том , что бескон ечн о м алое становится
бесконечн о больш им , а затем бескон ечн о больш ое превращ ается в бескон ечн о
вели кое, но и в том , что во В селенной постоян но везде и всю ду наблю дается
обратн ы й проти воречи вы й проц есс превращ ен и я бесконечно великого в бесконечно
больш ое, а затем бесконечн о больш ого — в бесконечн о м алое: сам ое удивительн ое и
поразительное заклю чается в том , что и в этом случае главн ы м дей ствую щ и м лицом
— героем является оп ять ж е тяготен и е как си ла гравитационн ого п ритяж ен и я
(особенно и сж ати я, и коллап са). (К огда м ы пиш ем и говорим о бескон ечн ости, то,
следуя К арлу С агану — зам ечательном у астроф изику и автору книги «К осм ос»
(С П б.: А м ф ора, 2004), — отм ечаем : бескон ечность — количество, которое
превосходи т н аперед задан н ое чи сло, независи м о от чи сла.)
П осле эти х общ еф и лософ ских зам ечан и й о тяготени и как силе грави таци он н ого
притяж ен и я (и сж атия, и коллап са), зави сящ ей и склю чи тельн о от м ассы , более
подробно следует останови ться н а рассм отрени и п роблем ы белы х карликов, а затем в
последую щ их главах п редм етом наш его и сследовани я станут н ейтрон н ы е звезды и
черн ы е ды ры (как звездн ы е, так и сверхм асси вн ы е в ядрах акти вн ы х галактик).
С ледует здесь сразу ж е отм етить, что п реж де чем рассм отреть проблем ы белы х
карли ков, н ей трон н ы х звезд и звездн ы х черн ы х ды р, н адо хотя бы очен ь кратко
сказать о сверхн овой звезде и ее взры вн ой всп ы ш ке. С верхн овая и ее взры в зан и м аю т
особое м есто в звездн ом м ире и его эволю ц и и : в конечном счете, так и ли ин аче,
белы е карлики , ней трон н ы е звезды и звездн ы е черн ы е ды ры как ф и н альны е стадии
эволю ц и и звезд связаны со взры вом и всп ы ш кой сверхн овой.
М ы уж е вы ш е отм етили, что конечной судьбой н аш его С олн ц а будет белы й
карли к, разм ер которого равен разм еру наш ей Зем ли (~ 10
4
км ), п лотн ость вещ ества в
одном кубическом санти м етре составляет 1 т: такая п лотн ость — невидан н ая н а
наш ей Зем ле.
Н о наш е С олнце н е является звездой первого поколени я: он о, как отм ечаю т
учены е сп ец иали сты , является звездой втори чного и ли даж е третьего п околен и я. О н о
сф орм и ровалось из вещ ества взры ва сверхн овой, м асса которой н е м ен ьш е 5, 10, 20 и
т. д. м асс С олн ц а (10
30
кг): чем м асси вн ее звезда, тем бы стрее в ее недрах протекаю т
терм оядерн ы е реакци и и тем короче срок ее ж и зн и . В результате м ощ н ы х ядерн ы х
реакций в ц ентральной части сверхн овой звезды образуется вы сокое давлени е,
которое, двигаясь из ц ен тра к вн еш ней оболочке, н аталкивается н а преп ятстви е:
происходи т сильн ы й отскол в ви де ударн ой волн ы . Э та м ощ н ая ударная волн а,
нап равленн ая на внеш ню ю оболочку тела сверхн овой , раскаляет вещ ество оболочки
до вы сокой тем пературы и тем сам ы м облегчает отры в больш ой части вещ ества
сверхн овой от ц ен тральн ой части , где находи тся ядро звезды : ударн ая волн а
сбрасы вает эту больш ую часть вещ ества вн еш ней оболочки в п ространствен н ую
бесконечн ость наш ей В селенн ой . П ервон ачальн ая скорость разлета этого вещ ества,
вы званн ая ударн ой волной , составляет более 1 000 км /с, а затем п остепенно п о м ере
дви ж ени я прои сходит зам едлен и е до 50-25 км /с: вещ ество
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
196
196
оболочки сверхновой в ходе разлета и дви ж ен и я см еш и вается с разреж енн ы м
вещ еством газа и п ы ли, находящ и м ся в м еж звездн ом п ространстве.
П ервы й толчок к кон ден сации этого см еш анного вещ ества и образован и ю
С олнечн ой си стем ы , вероятн ее всего, дает ударн ая волна: толчок, вы зван н ы й
ударн ой волной, п родолж ает сам ограви таци я этого см еш ан н ого вещ ества.
П роисходи т сж атие сам ограви тации вещ ества, в результате чего в н едрах
протозвезды п рои сходи т рост вы сокой тем пературы и вы сокого давлен и я:
протозвезда превращ ается в звезду, в н едрах которой н ачал работать ядерн ы й
реактор, где водород п ревращ ается в гелий , а затем гелий — в углерод, далее — в
ки слород — н еон — крем ний — м агни й и так вп лоть до ядра ж елеза — 10
56
(сам ое
тяж елое и слож н ое ядро).
И так, наш е С олнце — звезда второго поколени я, образованн ая из см еш ан н ого
вещ ества после взры ва сверхн овой: сверхновая — родитель, а С олн ц е н аш е — его
ребенок.
С оврем ен н ы й возраст С олн ц а — 10 м лрд лет, и в его н едрах запасов водорода
хватает ещ е на 10 м лрд лет ж и зн и н аш его С олнца: еж есекундн о в н едрах С олн ц а в
ядерном котле вы горает 600 м лн τ водорода.
1. П ервы й этап ядерн ы х реакц и й — водородная ядерная реакц и я — прекращ ается , и
внутренн ее давлен и е, п ротивостоящ ее ее силе грави тационного сж атия, резко
падает. Г равитационное сж ати е возобн овляет свое дей ствие, увели чи вается
вы сокая тем пература и вы сокое давление. С оздается услови е для начала второго
этапа ядерн ы х реакци й .
2. В торой этап ядерн ы х реакц и й — этап превращ ени я гелия в углерод и кислород:
для гели ево-углеродн ы х ядерн ы х реакц и й н еобходим а тем пература м и лли онов
градусов.
3. Т рети й этап — этап становлен и я наш его С олнца (вообщ е звезды с Ms) красны м
гиган том в связи с исчерп ани ем водородно-гели евы х зап асов: красны й ги гант
С олнце, покрасневш ее и разбухш ее, которое растекается, захваты вая и поглощ ая
свои план еты , начи н ая с М еркури я, В енеры , Зем ли, М арса, Ю пи тера, С атурн а, а
затем очередь дой дет до У рана, Н еп тун а и П лутон а.
К огда красн ы й ги ган т, как огнен н ы й чудови щ ны й ш ар, дойдет до н аш ей Зем ли ,
то этот огнен н ы й ш ар растоп и т м олни еносно льды н а полю сах, вы суш ит м оря и
океаны , испепели т растени я и ж ивотн ы х: Зем ля наш а, цветущ ая, с сам ы м и
разн ообразны м и краскам и ж изн и , стан ет п охож ей н а Л ун у, п оверхн ость которой
покры та толсты м (н есколько м етров) слоем пы ли . Э то прои зой дет в конц е
ж и знен н ого пути наш ей звезды С олнц а, а человеческий род исчезнет н а Зем ле
значительн о ран ьш е до этого кон ц а ж изни С олнц а.
4. В одородн ая эволю ция вн утри звезды С олн ц а закон чи тся: водород исчерп ан как
ядерное топ ли во в н едрах звезды . Т ем пература п адает, а вн утрен н ее давлени е
терм оядерн ы х реакц и й в ядерн ом котле не способн о п роти востоять и
восп реп ятство вать гравитационном у сж ати ю : сж атие, оставленн ое н а врем я
водородн ы х терм оядерн ы х реакций, сн ова возобн овляет свое дей ствие. О но
сж и м ает звезду и ее н едра, п одн и м аю тся сн ова тем пература в недрах звезды и
вы сокое давлени е, вследстви е чего создается оп ять услови е для продолж ен и я
второго этапа ядерны х реакций — п ревращ ения гели я в углерод и ки слород. Я дро
гели я состои т и з двух протон ов и двух ней трон ов, а углерод состои т и з трех ядер
гели я и , следовательно, из ш ести п ротон ов и ш ести н ейтрон ов. П оэтом у для
превращ ения трех ядер гели я в ядро углерода н еобходим а тем пература м и лли он ов
градусов: для п олучения все
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
197
197
более тяж елы х и слож н ы х ядер требую тся н е м илли оны , а м илли арды градусов,
нап ри м ер, для образовани я ядра ж елеза из двадц ати восьм и протон ов и двадц ати
восьм и н ейтрон ов, чтобы п олучить ядро ж елеза — 10
56
. Д альней ш ее п р одолж ен и е
ядерн ы х реакц и й для образовани я более слож н ы х и тяж елы х ядер, чем ядро ж елеза,
невозм ож н о, ибо такие ядра становятся н еустой чи вы м и и бы стро расп адаю тся.
В результате роста вы сокой тем пературы и вы сокого давлени я ядро в
цен тральн ой части красного ги ганта н еудерж и м о коллапсирует, а внеш няя
поверхность красного ги ганта, покрасн евш ая и разбухш ая, где тяготен и е стало
слабы м , отры вается от своей ц ентральной части ядра, и з одной звезды п утем
раздвоен и я образую тся ф акти чески две сам остоятельны е звезды — красны й ги гант и
белы й карли к.
Н о белы й карлик, как п лотн ая звезда, плотн ость м ассы вещ ества которой равна
тон н е в чайн ой лож ке, а разм ер равен разм еру наш ей Зем ли — 10
4
км , обы чн о
находи тся в двой н ы х звездн ы х си стем ах своего ком п аньона в м асси вн ой звезде,
м асса которой значительн о п ревосходи т M
⊙
. В двойн ы х звездн ы х си стем ах м еж ду
ком п аньоном — красны м м ассивны м ги гантом — и белы м карликом , как
ком п актн ы м и п лотн ы м объектом , прои сходит взаи м одействие: они в двой н ы х
си стем ах, обращ аясь и вращ аясь по свои м ор би там , часто сближ аю тся н а достаточн о
близкое расстоян и е, в результате чего п рои сходи т п еретекан и е (аккреция) части
вещ ества с поверхности м асси вного красн ого ги ганта на определенн ы е области
белого карлика: белы й карли к н асы щ ается водородны м вещ еством , «ук раден н ы м » с
поверхности красн ого гиганта. А ккреционны й п оток вещ ества п ри столкновени и с
поверхностью белого карлика раскаляет его поверхность, подним ая вы сокую
тем пературу в десятки м и ллион ов градусов, достаточн ую для н ачала водородн ы х
терм оядерн ы х реакц и й : белы й карли к стан ови тся м аленькой яркой и всп ы хи ваю щ ей
звездой, что обусловлен о терм оядерны м и взры вам и -вспы ш кам и . Б елы й карли к с
терм одинам и чески м и взры вам и -всп ы ш кам и назы ваю т новой звездой в отли чи е от
сверхн овой : белы й карлик является н овой звездой то лько в двой н ы х звездны х
си стем ах, в результате аккреционного потока вещ ества, а взры в сверхновой, когда в
простран ствен н ую бескон ечн ость В селенн ой сбрасы вается больш ая часть ее
вещ ества для н ового этапа звездообразован и я, обеспечи вается еди н ством действи я
си лы терм оядерн ы х процессов реакций и силы сам ограви таци и сверхновой звезды .
С ледовательно, ф и н альной стадией эволю ц и и звезды с м ассой, превы ш аю щ ей
1,4 M
⊙
, является белы й карли к с плотн остью вещ ества в 1 т/ см
3
и разм ером 10 000
км , сравни м ы м с разм ером н аш ей Зем ли.
Н аш е С олнц е через 10 м лрд лет, когда в его недрах будут и счерпаны зап асы
ядерного топ лива — водорода и гели я, — станет красны м гиган том , разбухш и м и
поглощ аю щ им свои п лан еты , а ядро в его ц ентральной части п од гравитаци он н ы м
сж ати ем станет бел ы м карли ком : белы й карлик в двой н ы х звездны х систем ах, в
результате п еретекан и я вещ ества-водорода с поверхн ости красн ого ги ганта на
поверхность белого карли ка и терм оядерны х взры вов-вспы ш ек, станет новой яркой и
всп ы хи ваю щ ей звездой .
К расны е ги ганты и сверхновы е зам ечательн ы тем , что они являю тся тем и
печам и, в которы х изготовляю тся атом ы вещ ества, из которы х м ы — лю ди (и вообщ е
все ж и вое) — состоим : углерода, ки слорода, азота, крем ни я, ж елеза и т. д.
К ак м ы уж е писали в н аш ей работе, В селенн ая в ц елом состоит н а 99 % и з двух
элем ентов — водорода и гели я, и х распространенн ость оп ределяется Б ольш и м
взры вом , в результате которого рож даю тся элем ен тарн ы е частиц ы , п реж де всего
ф ун дам ен -
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
198
198
тальны е ф ерм и он ы — кварки и лептон ы , а затем и з кварков в результате ко нверси и
— протоны и ней трон ы , и з которы х образую тся преж де всего легкие ядра водорода и
гели я.
А все остальн ы е тяж елы е и слож н ы е ядра атом ов бы ли «сварен ы » и «и спечен ы »
в терм оядерн ы х п ечах в недрах звезд. Т ак что м ы состои м и з атом ов вещ ества,
изготовлен н ы х в терм оядерны х п ечах в недрах звезд: м ы — лю ди из звездн ого
вещ ества.
Ж изн ь на план ете Зем ля обязан а исклю чительно наш ей родн ой звезде С олнцу:
ж и знь не м огла возникн уть без С олнца, которое снабж ает н ас теплом , обогревая
холодн ую В селенн ую с п остоян ной тем пературой -270°С . П ри такой тем п ературе н е
только м олекулы «зам ерзаю т», т. е. н аходятся вн е движ ени я, н о и атом ы
превращ аю тся в безж изн енн ы й п анци рь. М ы все ви ди м и п ознаем благодаря
светим ости звезд: они являю тся м огучим и свети льникам и позн ани я нам и В селенной,
изначально тем ной.
Н аш а В селен н ая н е только холодная при -270°С , но и абсолю тно тем н ая, если бы
звезды не свети ли: звезды нас обогреваю т, даю т ж и зн ь. Б ез свети м ости звезд м ы
ничего н е м огли бы узнать о далеких м ирах галакти к, скоплени й галакти к и
сверхскоплений. В сем ж и зн ь обязан а н аш ем у С олнц у, эн ергию которого
накап ливаю т растен и я и трансф орм и рую т в хи м ическую как осн ову ж изни . Л ю ди и
ж и вотн ы е п отребляю т накоп ленн ую в растени ях солнечн ую энерги ю , п ревращ аем ую
в хим ическую .
Закан чивая рассм отрени е проблем ы белы х карли ков, м ы только хоти м вы рази ть
свою глубокую соли дарн ость с известн ы м и авторам и кни ги «В селен н ая, ж и знь,
черн ая ды ра» (М ., 2004), в которой круп н ы е учены е — специ али сты в астроф изике и
косм ологи и вы сказали : сам ой п родукти вной и деей в соврем енн ом естествозн ан и и
является и дея ж и зн и .
И так, м ы рассм отрели проблем у белы х карли ков.
1. П ределом сущ ествовани я белы х карли ков является 1,4 M
⊙
: этот п редел
теорети чески установил м олодой и н ди й ский астроф и зи к С убрахм аньян
Ч ан драсекар в сам ом начале 30-х гг. Х Х в. П оэтом у этот п редел сущ ествован и я
белы х карликов н азы вается п ределом Ч ан драсекара, которы й бы л удостоен зван и я
нобелевского лауреата более чем через 50 лет, когда он уж е работал в С Ш А , в
П ри н стон ском И н сти туте вы сш их исследован и й , в 1983 г.: звезда, м асса которой
превы ш ает 1,4 M
⊙
, не м ож ет стать белы м карликом .
2. У стой чи вость белом у карли ку при дает давлен и е вы рож ден н ого электрон н ого газа,
которое обусловлен о кван тово -м ехан и чески м законом запрета П аули:
ф ун дам ен тальн ое требовани е закон а П аули состоит в том , что в одн ом и том ж е
квантовом состоян и и не м огут находи ться два оди н аковы х ф ерм и она, напри м ер,
два оди н аковы х электрон а, если у них спины п араллельны , а н е антип араллельны .
3. Н аш е С олн ц е через 10 м лрд лет, когда все зап асы водорода в его недрах б удут
исчерп аны , превратится в красн ого ги ганта, покрасн евш его и разбухш его,
находящ егося п од м ощ н ы м прессом си лы грави тационн ого сж ати я: область
водородн ы х терм оядерн ы х реакций красн ого ги ган та, где сила гравитационного
притяж ен и я стала значи тельн о слабее, отры вается от его цен тральн ой части —
плотного и ком п актн ого белого карлика, находящ егося под воздей стви ем все
увеличиваю щ ей ся си лы грави тационного сж атия. Ф актически из одной звезды ,
м асса которой сравним а с M
⊙
, образую тся две звезды : одн а — м ассивн ая, а другая
— белы й карли к.
4. В двойны х звездн ы х си стем ах м асси вн ая звезда, м асса которой сравни м а с M
⊙
,
бы стрее п роходит путь водородно-гели евой терм оядерн ой эволю ци и и потом у
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
199
199
становится красн ы м ги гантом — ком п ан ьон ом белого карли ка: ком пан ьон и белы й
карли к в двой н ы х систем ах вращ аю тся отн осительно друг друга по свои м орби там ,
то сближ аясь, то удаляясь. В ходе этого взаим одей ствия белы й карли к с вы сокой
плотностью и , следовательн о, си льны м полем тяготен и я «сры вает» с поверхн ости
звезды -ком п аньона часть вещ ества-водорода, которая падает н а определенную
поверхность белого карли ка, нагревая и раскаляя ее: поверхн ость белого карлика в
результате аккрец и он н ого потока вещ ества н агревается и раскаляется, подним ая
вы сокую тем пературу в десятки ты сяч градусов, достаточн ую для начала
терм оядерн ы х реакц и й и вспы ш ек. Э ти терм оядерны е вспы ш ки на поверхности
белого карлика делаю т его новой звездой , принципиально отли чн ой от сверхн овой:
белы й карлик становится н овой звездой, отличной от сверхновой , взры в которой
породил наш е С олн ц е.
5. С ледовательн о, вели чествен н ы й м и р звезд и их эволю ци и представляет собой н е
только ц арство спокойстви я и вели чи я, ц арство постоян ства и н еи зм ен н ости,
м онотонности и н епреры вн ости, н аоборот, он — царство буйства, ярости и
неи стовства: он , в своей глубинной сущ ности и п ри роде, — царство диониси зм а, а
не ап оллони зм а. Т очнее, он — единство аполлони зм а и ди он и си зм а. К огда м ы
созерц аем н очн ое небо невооруж ен н ы м глазом , звездн ы й н ебосвод перед нам и
встает в своем вели чественн ом сп окойствии тиш ин ы и неизм енн ости: п еред н ам и
встает какая-то чарую щ ая вечн ость и незы блем ость, и м ы чувствуем единен и е с
ней . О дн ако когда м ы со своим интеллектом и разум ом , осн ованн ы м н а
эксперим ен тальном н аблю дени и , п остигаем его, то этот вели чественны й звездн ы й
м и р дедем он и зируется, дем и ф ологи зи руется и детеологи зи руется: он раскры вает
одну сокры тую тайн у за другой. М ы разгады ваем все глубж е и глубж е
таи н ствен н ы й м и р звезд. К огда-то в ан тичн ом м и ре даж е велики й А ри стотель
утверж дал, что звездн ы й м и р — и деальн ы й м и р: этот идеальны й м и р — м и р
ан гелов, и даж е таки е вели кие ум ы -творц ы , как Н иколай К оперн и к, И оганн
К еплер и даж е гени й И саак Н ью тон и др., счи тали, что звездн ы й м ир как творен и е
бож ественное — вечн ы й м и р, подчиняю щ ий ся сим м етри чны м закон ам м ехани ки и
ф и зи ки.
П ервы м , кто экстраполировал соврем енн ую ф изику на исследован и е
внутрен н его м и ра звезд, его строени я и структурн ы х ком понен тов, бы л великий
А ртур Э ддингтон , которы й ещ е в начале 20 -х гг. Х Х в. утверж дал, что в н едрах звезд
происходят слож ны е ф и зи ко-хи м и чески е процессы творен и я атом ов элем ен тов
вещ ества.
Н астоящ и м и и н струм ен там и исследовани я вн утрен н его м ира звезд, как м ы
види м , являю тся две ф ун дам ен тальн ы е науки соврем ен н ой ф и зи ки: ядерная ф и зи ка,
которая бы ла создана только в 30-е гг. Х Х в., и теори я относительности Э й н ш тейн а,
вклю чаю щ ая сп еци альную и общ ую .
И м енн о эти ф и зи чески е теори и вм есте с ф и зи кой элем ентарн ы х частиц дали нам
м ощ н ы й ин струм ент в качестве м етодологии и сследован и я и познан и я вн утренн его
м и ра звезд и их эволю ции на ф и н альной стадии :
1) белы е карлики ;
2) ней трон н ы е звезды ;
3) черн ы е ды ры (звездны е).
Н ет ни чего краси вее, чем п озн ани е загадочн ого звездн ого м ира, которы й
является н еотдели м ой частью галакти ческого м ира.
Г л ав а 5. П ул ьсар ы к ак н ей тр он н ы е звезды
§ 1. П ул ь сар ы к ак н ей тр он н ы е зв езды
а. В зр ы в св ер хн ов ой
Н аш а галактика М лечн ы й П уть состои т из ста м иллиардов звезд, таки х, как
наш а звезда С олн ц е. Н е каж дая звезда взры вается: взры ваю тся звезды м ассой , равн ой
6 Л /о и больш е. В н аш ей галакти ке в столети е взры ваю тся 2 -3 звезды . Зн ачит, взры в
звезды — явлен и е редкое: взры ваю щ ую ся звезду назы ваю т сверхновой .
П ервое н аблю дени е взры ва сверхновой в н аш ей галакти ке п роизош ло в 1054 г.:
это н аблю ден и е вспы ш ки сверхновой заф и ксирован о в докум ентах китайским и,
япон ским и и корейским и учен ы м и , а такж е индей ц ам и о дн ого и з
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
200
североам ери кан ских плем ен . С тех п ор прош ло более 9,5 столетий и всегда
сверхн овая звезда находилась в ц ентре п ри стальн ого вн и м ан и я астроном ов всех
народов м ира: сверхн овы е до си х пор таят в себе м ного загадок.
В зры в сверхн овой и его п оследстви я н ас ин тересую т с двух ф и лософ ских
позиц и й . П ервая — это образовани е н овы х звезд из вещ ества взорвавш ей ся
сверхн овой , в том числе и п рои схож ден и е наш ей С олн ечн ой си стем ы : п роблем а
звездообразования является одной из цен тральны х проблем соврем ен н ой
косм ологи и , астроном ии и ф и зики части ц , и бо, как и звестно, галакти ка состои т и з
ста (и ли 200) м и ллиардов звезд, составляю щ их осн овн ую м ассу «види м ого
вещ ества» ее. А другую часть м ассы галакти ки составляет «н евиди м ая» м атери я,
«тем н ое» вещ ество, «скры тая» м асса, которая п ревосходи т «ви ди м ое вещ ество» в 5 -
10 раз.
С ледовательно, проблем а звездообразован и я, в результате взры ва сверхновой,
является одной из важ ней ш их проблем ф и лософ ского м и рообразован и я и
м и ропони м ан и я.
В торая — это образовани е п ульсаров как н ей трон н ы х звезд: п ульсары являю тся
вращ аю щ им и ся н ам агн и чен н ы м и н ейтрон н ы м и звездам и.
И так, вторая проблем а образован и я пульсаров как н ей трон н ы х звезд связана с
первой проблем ой образован и я н овы х звезд и з вещ ества взорвавш ейся сверхн овой
звезды , м асса которой долж н а б ы ть не м ен ьш е 6 M
⊙
Здесь необходим о сделать н ебольш ое историческое отступление в связи с
рассм атри ваем ой н ам и п роблем ой взры ва сверхновой и его п оследстви й .
1. В спы ш ку сверхновой , которая п ородила преж де всего К рабови дн ую тум ан н ость,
заф иксировали и н аблю дали в 1054 г.: К рабовидн ая тум ан н ость п редставляет
собой и сточн и к радиоизлучен и я, гам м а-излучени я, рен тгеновского излучен и я, а
такж е косм ически х лучей. Н о оставался вопрос: сам а К рабовидн ая тум анн ость
является источн и ком этих и злучени й или в ней содерж и тся какой-то ещ е м ощ ны й
источн и к?
2. В озм ож ность сущ ествовани я н ейтрон н ы х звезд в 30 -х гг. Х Х в. бы ла теоретически
обосн ован а в работах советского ф изика J1. Д . Л андау, а такж е Р . О пп енгейм ера и
X. С най дера (вспом н и м : нейтрон эксп ери м ен тальн о бы л обн аруж ен в 1932 г.).