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.
201
201
С ледовательно, кон ц епц и я нейтрон н ы х звезд бы ла вы дви н ута сразу ж е п осле
эксперим ен тального откры ти я н ей трон а как части ц ы ядерной м атери и : работа Л . Д .
Л андау о н ейтрон н ы х звездах отн оси тся к 1934 г., а работа Р . О п п енгейм ера и X.
С н айдера — к 1939 г., где они такж е вы дви н ули кон ц епц и ю грави тационн ого
коллап са. Т ерм и н «коллапс» п ри н адлеж ит Р . О ппен гейм еру и Г . В олкову. Зн ачи т,
уж е в 30-е гг. Х Х в., после откры ти я н ейтрон а как части ц ы ядерной м атерии , в
воздухе н аучн ой атм осф еры ф изиков-теоретиков ви тали две и деи: 1) и дея о
ней трон н ы х звездах; 2) идея о гравитаци он н ом коллапсе как м ехани зм е сж атия
сверхп лотн ого вещ ества.
3. И все ж е сам ы м вп ечатляю щ и м и неож иданны м собы ти ем явилось соверш енн о
случай н ое обнаруж ени е в 1967 г. асп и ран ткой Д ж оселини Б елл из К авенди ш ской
лаборатори и К ем бридж ского университета и ее руководителем Э н тон и Х ью иш ем
первого пульсара, которы й назы вается «кем бридж ским пульсаром ».
Затем в 60-70-е гг. Х Х в. бы ли откры ты сотни п ульсаров, которы е бы ли
тщ ательн ейш им образом и сследован ы соврем енны м и м етодам и и и зучен ы
эксперим ен тально. С ам ое уди вительн ое заклю чается в том , что для всех пульсаров
характерн ы те общ ие свой ства, которы е бы ли п ри сущ и первом у пульсару как
ком п актн ом у объекту пульсац и и , т. е. строгая п ери оди чн ость излучен и я и м пульсов и
м алы й его п ери од.
Т аки м образом , в 60— 70-е гг. прош лого (Х Х ) века бы ли п роясн ены и осознан ы ,
во-первы х, связь ней трон н ой звезды со сверхн овой : нейтрон н ая звезда — это ядро-
остаток п осле взры ва сверхновой ; во -вторы х, и дентиф и кац и я п ульсаров с
вращ аю щ им и ся н ейтрон н ы м и звездам и (рис. 2.1).
Р и с. 2.1
В -третьих, им ен н о 60-70-е гг. бы ли годам и ясн ого и глубокого осозн ани я
учены м и связи звездообразован и я со взры вом сверхн овой: образован и е н овы х звезд
связан о с вещ еством взорвавш ейся сверхн овой (рис. 2.2 ).
С лож н ая оболочечная структура сверхновой как луковиц а перед взры вом И так, со
сверхн овой связан ы два ф ундам ен тальн ы х собы ти я в соврем ен н ой косм ологи и и
астроф изике:
Р и с. 2.2
202
1) образовани е и сущ ествовани е нейтрон н ы х звезд в косм и ческом простран стве
В селен н ой;
2) н овое звездообразован и е из вещ ества взорвавш ей ся сверхн овой.
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.
202
А теперь остан овим ся на этих воп росах более п одробно и детально в
ф и лософ ском аспекте. (К то ж елает глубоко и зучить проблем у сверхн овой , м ы
реком ен дуем обязательн о п рочи тать работу и звестн ого и н ди й ского астроф и зи ка
Д ж аян та Н арликара «Н еистовая В селенн ая» (М ., 1985), п од редакцией
зам ечательного н аш его астроф и зи ка и косм олога И . Д . Н овикова. К н и га Д ж .
Н арли кара представляет собой одну из лучш и х кни г, п освящ ен н ы х проблем ам
сверхн овой и нейтронны х звезд.)
Н и ж е п оследовательно рассм отри м с точки зрени я ф и лософ ского осм ы слени я
следую щ ие воп росы :
1. В зры в сверхн овой: п очем у сверхновая звезда взры вается?
2. Н ейтрон н ая звезда: чем отличается он а от черн ы х ды р?
3. П ульсары как вращ аю щ иеся н ам агн и ченн ы е н ейтрон н ы е звезды : почем у пульсары
иден тиф и ц и рую тся с н ейтронны м и звездам и ?
Ч тобы п он ять, п очем у взры вается сверхновая, необходим о н ам хотя бы очен ь
кратко останови тся н а воп росах о том , как образуется звезда, что такое ж и знь звезды
и ее эволю ция.
К ак и звестн о, сн ачала газо-п ы левое облако под действием силы
грави тационного сж ати я раздробляется на м елкие части , которы е в свою очередь п од
дей ствием той ж е си лы тяготени я сж им аю тся и разогреваю тся, особенн о в середине
эти х частей -ф рагм ен тов: эти части -ф рагм ен ты , в недрах которы х ещ е не начал
работать ядерн ы й реактор, п редставляю т собой протозвезды . П ротозвезды
становятся и превращ аю тся в звезды , когда в н и х начн ет работать ядерны й реактор
превращ ения водорода в гели й : водород п ревращ ается в гели й при тем п ературе в
десять ты сяч градусов (10 000°). С и лы тяготен и я, сж им ая звезду, вы деляю т эн ерги ю ,
которая разогревает ядерн ы й котел для п ревращ ен и я водорода в гели й : это есть
ядерн ы й си н тез образован и я и з более легкого ядра водорода более тяж елого ядра
гели я. П ри эти х реакци ях терм оядерн ого си н теза вы деляется ядерн ая эн ергия как
внутрен н ее давлени е, п роти востоящ ее и п роти водействую щ ее силе грави таци он н ого
сж ати я: установлени е этого п роти воборства м еж ду сж ати ем си л тяготен и я и
внутрен н и м давлени ем ядерн ой силы — ж изн ь звезды . С ледовательно, ж и знь звезды
— это равн овесие м еж ду двум я проти востоящ им и и противоборствую щ и м и си лам и
сж ати я и вн утрен н его давлен и 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.
203
203
В зры в сверхновой — наруш ени е этого равновесия м еж ду двум я силам и —
сж ати я и внутрен н его давлен и я: н аруш ение это п ро исходи т, когда и счерпано ядерн ое
горю чее и звезда лиш и лась сп особности соп роти вляться си ле грави тационного
сж ати я.
Н о взры вается н е всякая звезда в результате н аруш ени я равновесия: сверхновая
взры вается, если ее м асса равн а 6 M
⊙
и больш е. С ледовательно, взры в сверхновой —
взры в м асси вн ой звезды .
П ревращ ен и е водорода в гели й — это п ервы й ц и кл реакц и й терм оядерного
си н теза. Ч тобы более наглядно п редставить ещ е раз, н ап ом ним , что в н едрах наш ей
звезды С олн ц а еж есекундн о в ядерн ом котле сгорает более 600 τ водорода. В озраст
наш его С олнц а — 10 м лрд лет, и ещ е столько ж е лет оно будет н аходи ться в стадии
главн ой п оследовательности , и, следовательн о, зап асов водорода у н аш ей звезды ещ е
на 10 м лрд лет: ядерн ы й реактор в н едрах С олн ц а н е сравн и м н и с каки м и зем ны м и
ускори телям и — сам ы м и м ощ ны м и тэватрон ам и.
П ри этом , чем м асси внее звезда, тем бы стрее прои сходят в ее недрах
терм оядерн ы е реакц и и п ревращ ен и я водорода в гели й и тем короче срок ее ж и зн и .
С ледую щ ие ц и клы реакц и й терм оядерн ого син теза — превращ ен и е гели я в
углерод, а углерода — в кислород, н еон , м агний, крем ний и т. д. до образован и я
сам ы х тяж елы х, м асси вн ы х ядер груп п ы ж елеза, куда входят ж елезо, кобальт,
плати н а, н и кель.
С ледовательно, этот м н огоступенчаты й ц и кл реакци й ядерн ого син теза
происходи т в ф орм е противоборства сил ядерн ой и гравитационной м атери и , т. е.
бари он и ческой и анти бари онической.
П ока идут в очередн ом ц и кле реакц и и ядерн ого си н теза, т. е. образован и я все
более м асси вн ы х ядер, вн утренн ее давление проти водействует сж ати ю си л
собственного тяготени я: звезда находится в состояни и равн овеси я. И как только
ядерное горю чее все сгорает в ядерном котле, и счезает вн утренн е давлени е и
начи н ается сж ати е сил тяготен и я, вследствие чего тем пература в недрах звезды
подним ается от 10 000° до 100 000°, когда он а достаточн а для п ревращ ени я гели я в
углерод, а затем он а п одн и м ается ещ е до м илли он ов градусов, когда м огут начаться
реакции ядерного си н теза как образован и я сам ы х тяж елы х, м ассивны х ядер групп ы
ж елеза: на этом останавливаю тся и закан чиваю тся реакц и и яд ерн ого си н теза, ибо
дальнейш ее образовани е м ассивны х ядер атом ов стан ови тся эн ергети чески
невы годн ы м : ядерн ы е реакц и и си нтеза прекращ аю тся. О днако сж атие сил тяготени я,
сж и м ая ядра груп п ы ж елеза, разогревает ещ е больш е: создается си туаци я с
достаточно вы сокой тем пературой , при которой возм ож ен распад тяж елы х,
м асси вн ы х ядер н а более легки е, ибо м ассивн ы е ядра образовали сь из более легких
ядер с добавлен и ем по одн ой α-части ц е.
И так, ж и зн ь звезды — это п остоянная см ен а (чередовани е) равновесия
наруш ением и н аруш ени я равн овесием . Н о эта см ен а происходит и возм ож на до тех
пор, пока н е иссякнет ядерное горю чее в ядерн ом котле: с окончан и ем ядерн ого
горю чего и з-за отсутствия вн утренн его давлени я в игру вступ ает сж атие си л
собственного тяготени я. О н о разогревает и подним ает тем п ературу, достаточн ую для
начала расп ада м ассивны х ядер атом ов группы ж елеза:
П роблем у расп ада тяж елы х ядер м ы рассм отри м более подробно позж е в связи с
исследован и ем нейтронной звезды п осле взры ва сверхновой. А сей час более
кон кретн о следует останови ться на воп росе: почем у и каков м ехани зм взры ва
сверхн овой .
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.
204
204
В ы ш е м ы только что отм етили, что в области тяж елы х, м асси вны х ядер груп п ы
ж елеза (м ассовое число ж елеза 56) закан чи ваю тся реакции ядерн ого син теза, ибо
дальнейш ее образован и е м асси вн ы х ядер эн ергети чески становится н евы годн ы м ,
следовательно, вн утрен н ее давлени е и счезает, а сж атие сил тяготени я продолж ается с
нарастаю щ ей и н тенси вн остью : вследствие ги ган тской силы грави таци он н ого сж ати я
происходи т вы делени е гравитационной эн ергии , которая и з цен тральной области
ядра сверхновой распространяется с огром ной скоростью и н еим оверной м ощ ью
си лы н а внеш ню ю оболочку сверхн овой .
Р ассм отри м строен и е и структуру сверхн овой звезды п еред сам ы м н ачалом ее
гран ди озн ого взры ва.
Э та схем а строени я и структуры сверхновой н ам и восп рои зведен а из кни ги Д ж .
Н арли кара «Н еистовая В селенная»:
1. С ам ой внеш ней оболочкой сверхновой является водородная оболочка, в которой
начи н аю тся реакц и и терм оядерн ого си н теза превращ ен и я водорода в гелий .
Р и с. 2.3
2. В торой внеш ней оболочкой п оэтом у является гели евая, а за гели евой и дет
углеродная оболочка, а за углеродн ой — и дут ки слородн ая, неоновая, м агниевая и
т. д.: п оследовательность этих оболочек — последовательность реакц и й ядерн ого
си н теза как проц есса образовани я все более слож ны х, тяж елы х и м асси вн ы х ядер
атом ов хим и чески х элем ентов.
3. Н акон ец , ядерны е реакции си н теза закан чи ваю тся в области образован и я тяж елы х,
м асси вн ы х ядер груп п ы ж елеза, куда входят, как м ы уж е указы вали , ж елезо,
кобальт, плати н а, н и кель.
К акова структура сверхновой перед сам им взры вом ее? К ак м ы ви ди м , структура
сверхн овой — слож н ая слоисто-оболочечн ая, как лукови ц а. Зн ачи т, грави тацион н ое
сж ати е в центральной области ядер групп ы ж елеза порож дает и грави тационн ую
энерги ю , которая передается на вн еш ни е оболочки сверхн овой : эта гравитационн ая
энерги я обруш ивается на внеш ни е оболочки с огром ной силой и скоростью . В
результате этого п рои сходи т отскок — тот отскок, которы й, как отм ечает Д ж .
Н арли кар в своей кн и ге «Н еистовая В селенн ая», п орож дает ударн ую вол н у как
изначальны й сп усковой м ехан и зм гранди озн ого взры ва сверхн овой (ударн ая волна
— разница в
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.
205
205
давлени и , плотн ости, тем пературе по обе стороны плоскости ). О н а как сп усковой
м ехани зм взры ва сверхновой п роизводит два эф ф екта.
П ервы й : она разогревает вещ ество вн еш н ей оболочки, начи н ая вы ш е
цен тральн ого ядра ж елеза, п реж де всего вещ ество кислородн ой и крем ни евой
оболочек. Р азогретое вещ ество оболочки легче отры вается от ц ентрального ядра
групп ы ж елеза.
В торой эф ф ект ударн ой волны заклю чается в том , что о на со всей своей м ощ ью
колоссальн ой силы разгоняет раскаленн ое вещ ество вн еш н ей оболочки сверхн овой
до скоростей, п ревы ш аю щ и х п араболи ческую скорость для п реодолен и я сил
собственного тяготения.
В результате эти х эф ф ектов ударн ой волн ы внеш н яя оболочка вм есте с
содерж ащ им ся в н ей вещ еством отры вается от центральной области ядер груп п ы
ж елеза и сбрасы вается в бескон ечн ое простран ство В селен н ой : и м енн о это вещ ество
сброш ен н ой оболочки сверхн овой служ и т м атери алом для нового звездообразовани я.
Н ачальная скорость раскаленного вещ ества сброш ен ной оболочки сверхн овой в
первы е несколько секунд достигает 10 000 км /с. О дн ако затем п о м ере
распространени я в п ространстве В селен н ой скорость вещ ества сброш енной оболочки
ум ен ьш ается: сн ачала 1 000, а затем — 50 км /с.
Н о каким образом прои сходи т образован и е н овы х звезд из этого вещ ества
сброш ен н ой оболочки сверхн овой?
Во-первы х, он о в п ространстве В селенн ой , сталки ваясь с другим и
разреж енн ы м и вещ ествам и и сли ваясь с н и м и , сам о стан ови тся и з плотн ого
разреж енн ы м : у разреж ен н ого вещ ества сила тяготения для гравитационного сж ати я
м ала. П оэтом у эта сила тяготения н е сп особн а к сж атию своего собственн ого
разреж енн ого вещ ества: необходим сп усковой м еханизм сж ати я, «скручивани я»
разреж енн ого вещ ества.
Во-вторы х, таким сп усковы м м ехан и зм ом , как отм ечает Д ж . Н арликар в своей
кн и ге «Н еистовая В селен н ая», является опять ж е ударная волн а, которая прои зводит
первон ачальное сж ати е, «скручи вани е» разреж ен н ого вещ ества, а затем вступ ает в
игру сила собствен н ого грави таци он н ого сж атия. Э то сж атие подни м ает в недрах
звезды тем п ературу, достаточную для н ачала реакц и и ядерн ого си н теза в ядерн ом
реакторе: преж де всего п ри 10 000° п рои сходи т ядерн ы й син тез п ревращ ени я
водорода в гелий, а затем гелия — в углерод и т. д.
И так, ф ун дам ентальн ое значени е исследован и я взры ва сверхновой заклю чается
в том , что одн и м из важ н ы х и сущ ественны х п оследстви й взры ва сверхн овой
является звездообразован и е: новы е звезды м огут образоваться и образую тся и з
вещ ества взры ва сверхн овой.
У чены е-сп еци али сты полагаю т, что н аш а родная звезда С олнц е произош ла и
возни кла когда-то (10 м лрд лет том у н азад) и з взры ва сверхн овой в наш ей галакти ке,
недалеко происш едш его от наш ей С олн ечной си стем ы . П оэтом у сп еци али сты
счи таю т, что п роисхож дени е н аш ей звезды С олнца и м еет вторичное п рои схож дени е.
Т аки м образом , образован и е звезд, п о соврем ен н ы м п редставлени ям ф изики
части ц , астроф и зи ки и косм ологи и , п роисходит двум я п утям и:
1. П утем ф рагм ен тации газо-п ы левого облака под действием сил грави тационн ого
сж ати я.
2. П утем «скручиван и я» вещ ества взорвавш ей ся сверхн овой : таки е н овы е звезды
им ею т вторичн ое п роисхож ден и е. Звезды м огут и образую тся от взры ва других
звезд, если только их м асса равна 6 M
⊙
и больш е.
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.
206
206
Е сли у звезды ее м асса м еньш е 6 M
⊙
, то образован и е н овы х звезд и з других
звезд и склю чен о. П оэтом у м асса — ф ун дам ен тальная ф изическая реальность как
определитель критери я взры ва сверхновой и нового звездообразован и я.
В торы м ф ундам ен тальн ы м последствием взры ва сверхновой является
образован и е н ейтрон н ой звезды и з ядра-остатка в цен тральн ой части ядер груп п ы
ж елеза: н ейтрон н ая звезда как вращ аю щ ийся ком пактны й объект образуется и з ядра
— остатка цен тральн ой области п осле взры ва сверхн овой .
б. Н ей тр он н ы е звезды
П осле взры ва сверхновой и сбрасы вани я осн овной части вещ ества в
простран ствен н ую бесконечн ость н а м есте взры ва от сверхн овой остается ее
цен тральн ое ядро в области тяж елы х м ассивны х ядер групп ы ж елеза.
П осле ги гантского взры ва сверхновой долж н о оставаться для образован и я
ней трон н ой звезды ядро-остаток м ассой не более 2-3 M
⊙
. Т олько в этом случае ядро -
остаток превращ ается и м ож ет п ревращ аться под дей ствием си л тяготен и я в
ней трон н ую звезду. П осле взры ва сверхновы х м огут остаться ядра-остатки м ассой
больш е 10, 20, 30, 50 и т. д. M
⊙
, и тогда н еизбеж ны грави тац и онны й коллап с эти х
ядер-остатков и образован и е черн ы х ды р: черн ы е ды ры образую тся, если м асса
звезды значи тельно (в 10, 20, 30, 50 и т. д. раз) превосходи тM
⊙
. Э то озн ачает, что
если м асса звезды (или ядра-остатка п осле взры ва сверхн овой ) зн ачи тельно
превосходи т M
⊙
(в 10, 20 и т. д. раз), то н еудерж им о гравитац и он н ое сж атие таки х
звезд (и ли ядер-остатков), и никаки е н ам и звестн ы е ф и зи чески е си лы (и даж е
неи звестн ы е нам си лы ) не м огут воспреп ятствовать этом у гравитац и он н ом у сж ати ю
и образовани ю черн ы х ды р. Зн ачи т, н ейтронны е звезды образую тся, если м асса
звезды (или ядра-остатка после взры ва сверхновой ) н аходи тся в п ределах 2 -3 M
⊙
. А
если м асса звезды больш е 3 M
⊙
, то неодолим ы и н еудерж им ы коллапс звезды и ее
превращ ение в черную ды ру с ее син гулярностью как бесконечн ой п лотность ю
м атерии и криви зн ой простран ства-врем ени .
П оэтом у белы е карли ки, ней трон н ы е звезды , черн ы е ды ры — это определен н ы е
ф орм ы сущ ествован и я м атерии , определяем ой м ассой , экви вален тн ой эн ерги и : если
м асса звезды (ядра-остатка) значи тельн о превосходи т 3 M
⊙
, такая м асса м атерии не
м ож ет сущ ествовать н и в ф орм е н ейтрон н ы х звезд, ни тем более в ф орм е белы х
карли ков.
В ф и лософ ском ракурсе белы е карлики и нейтрон н ы е звезды — это «ум ерш ие»
звезды , в которы х бари оническая (ядерн ая и субъядерн ая) м атерия ещ е сп особн а
противодей ствовать силе гравитационного сж ати я, а что касается черны х ды р, то
никакая сила м атери и не способн а восп реп ятствовать грави таци он н ом у сж атию : в
черн ы х ды рах абсолю тн ое и всесокруш аю щ ее господство гравитаци он н ого коллап са.
Д о сих п ор м ы говорили о ядерн ом си н тезе как образован и и из легких атом н ы х
ядер более тяж елы х, м ассивны х ядер групп ы ж елеза.
А теперь рассм отри м обратн ы й п роцесс расп ада эти х м ассивны х ядер на более
легкие по схем е
Н ейтрон распадается н а протон, электрон и электронное анти н ей тр и н о: это
класси чески й прим ер п роцесса слабого распада, о котором м ы уж е достаточно
писали . Н о возм ож ен и осущ естви м обратны й процесс образован и я ней трон а п о
схем е:
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.
207
207
Т ак, в ц ентральной области ядра-остатка н акап ли ваю тся н ейтроны , которы е
образую т вы рож денн ое н ейтрон н ое вещ ество, н аходящ ееся в ж идкой сф ере:
ней трон н ое вещ ество — ж и дкое вещ ество, обладаю щ ее свой ствам и сверхтекучести и
сверхп роводим ости остатков п ротонов. Н ейтрон ы как ф ерм ионы п одчи н яю тся
закон у зап рета П аули: в одном и том ж е кван товом состояни и м ож ет н аходи ться
один и только один н ейтрон .
В чем состои т суть строени я нейтрон н ой звезды ?
Во-первы х, н ейтроны как ф ерм ион ы , п одчи н яю щ и еся закону П аули, образую т
сверхп лотн ое ней трон н ое вещ ество: это — ней трон н о-дом и н и рованн ое
квантовом ехан и ческое состоян и е, п орож даю щ ее резкое и сильное вн утрен н ее
давлени е си лы ядерн ой м атери и . О но п ротивостои т и п ри останавли вает дальнейш ее
грави тационное сж ати е звезды .
Во-вторы х, расш и ф руем п он яти е «н ейтрон н о -дом инирован ное кван тово-
м ехани ческое состояни е».
1. П ри сверхплотн ости вещ ества в ней трон н ы х звездах н ейтрон , в свободном
состоянии бы стро расп адаю щ аяся частиц а, превращ ается в стабильную частицу:
ней трон сущ ествует как стаби льная части ц а в вы рож ден н ом н ейтрон н ом газе.
2. П ри сверхп лотн ости вещ ества в н ейтронной звезде дви ж ения н ейтрон ов ж естко
огран и чены : они н аходятся почти в «зам орож ен н ом », «засты вш ем » состоянии вн е
дви ж ени я.
3. В се ни зкоэн ергети чески е состояния зан яты ней трон ам и.
И з всего этого м ы долж н ы сделать вы вод о том , что н ей трон ы как ф ерм ион ы
подчиняю тся закону зап рета П аули и , следовательно, в н ейтрон н ы х звездах этот
квантово-м ехан и чески й закон П аули ещ е сп раведлив и дей ствует в противоборстве с
си лам и грави тационн ого сж атия. (В черн ы х ды рах этот закон, ви ди м о, не остается
сп раведливы м : коллап с разруш ает и этот анти коллапсирую щ ий закон ф и зи ки .)
С ледовательно, в белы х карли ках электроны и в ней трон н ы х звездах н ей трон ы
как ф ерм ионы , подчиняю щ иеся закону зап рета П аули , ещ е сп особны , образуя
вы рож денн ое электронное вещ ество и вы рож денн ое н ейтрон н ое вещ ество,
вы зы ваем ы е и м и соответствую щ ие квантово -м ехан и чески е давлен и я,
соп роти вляю тся си ле гравитац и он н ого сж ати я: эти давления приостанавли ваю т
сж ати е си л тяготен и я. Н аступ ает в белы х карликах и нейтрон н ы х звездах м ом ен т
равн овеси я противоборства сил бари он и ческой (ядерной ) м атерии и
ан ти бари он и ческой (гравитаци он н ой ) м атери и : н и одна и з эти х сил н е способн а
преодолеть другую . П оэтом у сущ ествовани е белы х карликов и ней трон н ы х звезд —
установлен и е устой чи вого и стаби льного и х состояния благодаря вы рож денн ом у
ф ерм ион н ом у состоян и ю и кван тово -м ехани ческом у закон у зап рета П аули.
И так, если м асса звезды (или ядра-остатка после взры ва сверхн овой) н е
превы ш ает 3 M
⊙
, то ф ерм и он ы и закон П аули обладаю т способн остью п роти востоять
сж ати ю сил тяготения и при останови ть дальнейш ее сж атие звезды . А если у звезды
(и ли ядра остатка после взры ва сверхн овой) м асса значительн о превосходи т 3 M
⊙
, то
неи збеж н ы и н еудерж им ы коллапс и черная ды ра, в которой нам и звестн ы е
ф и зи чески е законы м огут оказаться несп раведливы м и . П оэтом у ней трон н ы е звезды
интересн ы и сущ ественн ы в том отнош ени и , что, во -п ервы х, он и являю тся пределом
сверхп лотн ого вещ ества, в котором м ы ещ е сп особн ы рассуж дать о н и х разум но,
опи раясь на соврем ен н ей уровен ь наш их ф и зи чески х зн ан и й в области ф и зики
части ц , астроф и зи ки
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.
208
208
и косм ологии. А во-вторы х, о черн ы х ды рах, где в точке си н гулярн ости плотность
м атерии бескон ечн а и бесконечн а кри визна пространства-врем ени , н ам и звестны е
ф и зи чески е законы п ерестаю т действовать. М ы н есп особны рассуж дать так ж е
уверен н о и разум н о, как о н ейтрон н ы х звездах. И н ы м и словам и, законы сп еци альной
теори и относительности , квантовой м ехан и ки, ф и зики частиц и астроф и зики , а такж е
общ ей теории отн осительн ости даю т нам возм ож ность рац и он ально и разум н о
рассуж дать о белы х карли ках, в которы х плотн ость вещ ества дости гает 1 О О О т/см
3
,
и в н ейтрон н ы х звездах, в которы х плотность вещ ества достигает даж е 10 г/см (т. е.
три ллион тонн). А о черн ы х ды рах, где в син гулярн ости плотность вещ ества и
искривлени е пространства-врем ени бескон ечн ы , м ы н е способн ы к разум н ом у и
рац и он альном у объ ясн ени ю и п он и м ани ю тех ф и зических (м и кроскоп и чески х и
м акроскоп и чески х) проц ессов, которы е в н и х п рои сходят. П оэтом у счи таю т (ф и зики -
теорети ки, астроф изики и косм ологи) н еобходи м ы м создани е кван товой теори и
грави тации (т. е. квантовой м и крогравитац и и).
Д ля н ас п ри рассм отрени и нейтрон н ы х звезд важ ны те ф и лософ ские вы воды ,
которы е вы текаю т и з рассм отрени я н ейтрон н ы х звезд, образую щ и хся и з взры ва
сверхн овой : сам ы м важ н ы м для н ас является и зм ен ени е н аш и х представлен и й о
взаи м оотнош ени и трех ф и зи чески х реальн остей — м атерии , п ространства и врем ен и .
И н ы м и словам и, п рим ер взры ва сверхн овой и образован и я из ее ц ентрального ядра-
остатка ней трон н ой звезды н аглядн о и образно дем онстри рует превращ ени е
Б ольш ого в м алое и как это м алое воп лощ ает это вели кое больш ое: великое и м алое
взаи м освязаны и взаим оп ревращ аем ы . В ели кое — м алое и м алое — вели кое: великое
неотделим о от м алого и м алое — от великого. Т ак, сверхновая — больш ое еди н ое
целое более 6 M
⊙
м атерии (вещ ества), пространства (разм еры ее —
м н огом и ллион н ы е килом етры ) и м н огом илли ардн ого врем ен и ее сущ ествовани я
после взры ва. К ром е больш ого, сброш ен н ого в окруж аю щ ее пространство В селенн ой
вещ ества, остается н а м есте взры ва сверхн овой цен тральное ядро -остаток как м алое,
которое п од дей стви ем си л тяготени я п ревращ ается за счи танны е м инуты врем ен и в
м алы й ком п актн ы й объект с радиусом 10 км и плотностью трилли он тон и в см
3
.
Значит, и з сверхновой звезды с м н огом и ллионн ы м и разм ерам и образуется
ней трон н ая звезда с ради усом 10 км , диам етром не более 20 км и со сверхп лотностью
вещ ества в 10
15
г/см
3
. Р азве это н е п арадоксально, что объект во м ного м илли он ов
ки лом етров за счи танн ы е м и н уты п ревращ ается в ком пактны й объект нейтронной
звезды крохотного разм ера во В селен н ой и неви дан н ой сверхп лотности м атерии —
10
15
г/см
3
.
Т аки м образом , все три больш и е реальн ости — м атери я, пространство и врем я
— под воздей ствием си л тяготени я п ревращ аю тся в крохотны й ком п актн ы й объект
со сверхги гантской п лотн остью м атери и : Б ольш ое м ож ет стать м алы м : м алое, в свою
очередь, есть вели кое как сверхплотн ость вещ ества в н ейтрон н ой звезде 10 км в
ради усе объекта. Н о сам ое интересн ое и п арадоксальн ое заклю чается в том , что
В ели кое превращ ается в м алое за счи танны е секунды и ли м инуты .
В этом состои т сила коллап са тяготени я, есл и и счерп ана ядерн ая энерги я в
ядерном реакторе звезды : в п роти воборстве сил бариони ческой и анти бари он и ческой
м атерии победа в конечном счете остается за ан ти барионической м атерией. В этом
состои т суть универсальн ой и всепрони каю щ ей сущ н ости грави таци и как м атерии ,
которая способн а к бескон ечн ости искри влен и я п ространства-врем ени :
простран ство-врем я м ож ет и скривляться, м ож ет сверты ваться, закручи ваться до
бесконечн ости, м ож ет ком пакти ф и ц и ровать, а м ож ет расш и ряться, разверты ваться,
растяги ваться и
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.
209
209
удлин яться: все зави сит от проти воборства бари он и ческой и антибари он и ческой
м атерии: бари он и ческая м атерия м ож ет совсем «сгореть» в ядерн ом котле, а
ан ти бари он и ческая — бессм ертна.
И так, больш ое и м алое есть взаим оп роникаю щ ие реальн ости : больш ое
превращ ается в м алое, н о это м алое ф и зически вклю чает и воплощ ает Б ольш ое. М ы
рассм отрели сверхн овую как Б ольш ое и как это Б ольш ое п ревращ ается в м алое как
ней трон н ую звезду со сверхп лотностью .
в . П ул ь сар ы
К ак бы ло отм ечен о вы ш е, теорети ческое п редсказани е о возм ож ности
сущ ествовани я н ейтрон н ы х звезд во В селенн ой бы ло сделано в 30 -е гг. п рош лого
века, п очти сразу ж е после откры тия н ейтрон а как ядерн ой части ц ы . А что касается
пульсаров, то п ервы й п ульсар бы л откры т соверш енно случайно Д . Б елл из
К авенди ш ской лаборатори и К ем бридж ского ун и верситета только в ноябре 1967 г.
П ервон ачально учены е даж е н е п редполагали, что п ульсары со странн ы м и
свой ствам и и м пульсн ого излучен и я являю тся на сам ом деле тем и ней трон н ы м и
звездам и, о которы х почти три дц ать лет н азад пи сали в свои х раб отах Л . Л андау, а
такж е Р . О пп енгей м ер и X. С най дер. Т олько после тщ ательн ого изучени я и ан али за
сотен п ульсаров, откры ты х после первого п ульсара, учен ы й м и р ф изи ков частиц и
астроф изиков приш ел к еди н ом у м н ени ю об иден ти ф и кац и и п ульсаров с
ней трон н ы м и звездам и: пульсары бы ли и дентиф и ц и рован ы с ней тронны м и звездам и.
П оэтом у сущ ествован и е п ульсаров яви лось доказательством реальности
сущ ествовани я ней трон н ы х звезд.
С ам ы м и важ ны м и и стран н ы м и свойствам и и сследованн ы х п ульсаров бы ли
удивительн ая пери оди чн ость и м алы й п ери од излучени я и м пульсов: п ери оди чн ость
им п ульсного и злучения отли чалась и склю чительн ой стаби льностью и
регулярн остью , а пери од излучени я им п ульсов равен 0,1 с. В связи с этим и
особен н остям и им пульсн ого излучения дан н ы й объект бы л н азван п ульсаром :
пульсар бы л объектом особы х п ульсац и й .
Н о встал воп рос: что это за объект, которы й столь удиви тельн ы м образом
пульси рует? П оэтом у первон ачально бы ли вы дви н уты различны е м одели: п ульсары
иден тиф и ц и ровали то с белы м и карликам и, то с п ульсирую щ и м и н ейтрон н ы м и
звездам и, то с очен ь ком п актн ы м и объ ектам и и , н аконец , с вращ аю щ им и ся
ней трон н ы м и н ам агн и ченн ы м и звездам и . В результате строгого ан али за все м одели
бы ли отброш ены и оставили только п оследню ю м одель вращ аю щ ей ся
нам агничен н ой н ейтрон н ой звезды . П очем у? П о том у что им енн о вращ аю щ аяся
нам агничен н ая н ейтронная звезда в дей стви тельн ости м огла обладать и обладает
тем и своеобразны м и свой ствам и и м п ульсного и злучен и я (стабильность
пери оди чности и м алы й пери од излучен и я и м п ульса), которы м и обладаю т
наблю даем ы е пульсары .
• В о-п ервы х, пульсар как косм ический объект долж ен бы ть, как п и ш ут в своей статье
Б лю м енф орд и Т орн «А строф и зи ка черн ы х ды р» (сб. «О бщ ая теори я
отн оси тельн ости»), очен ь ком п актн ы м , т. е. объектом н ебольш ого разм ера. И в
сам ом деле, ради ус пульсара составляет 10 км , а диам етр — 20 км . О днако одни м
свой ством ком пактности объекта н ельзя объясн и ть своеобразие и м п ульсного
излучени я: он о м ож ет бы ть объяснено в том случае, если этот ком п актн ы й объект
очен ь бы стро вращ ается вокруг своей собственной оси. Т олько вращ аю щ ий ся
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.
210
210
ком п актн ы й объект обладает стаби льной п ери оди чн остью излучен и я им пульсов и
м алы м п ери одом его (0,1 с).
С ледовательно, учен ы е установи ли , что особенн ы е свойства и м п ульсн ого
излучени я п ульсаров объясн яю тся их вращ ен и ем , причем с больш им и скоростям и ,
сравни м ы м и и бли зки м и к скорости света: им п ульсное и злучени е п ульсаров
объясн яется бы стры м и х вращ ени ем с околосветовой скоростью .
• Во-вторы х, однако, одн и м вращ ени ем п ульсаров н ельзя объясни ть и м п ульсное
излучени е их: н еобходи м о ещ е нали чи е у пульсаров м агн и тного поля: м агнитн ое
поле служ и т ф актором стабили зац и и скорости вращ ен и я пульсаров. О н о является
ф актором как бы торм ож ени я околосветовой скорости вращ ен и я п ульсаров и
закручи вани я и х. Т аким образом , м агни тное поле н а п оверхн ости п ульсара, как бы
нам агничивая вокруг н его, служ и т важ ны м ф актором сам осохран ен и я п ульсаров и
их вращ ени я.
• В -третьих, каким бы ни бы л ком пактн ы м косм и чески й объект, при такой бы строй
околосветовой скорости лю бой объект расп ался бы на куски , в том чи сле и белы е
карли ки, п лотность вещ ества которы х составляет около 1 000 т/см
3
. А почем у ж е
сохран яется п ри таком бы стром вращ ен и и п ульсар? П отом у что п ульсар обладает
сверхп лотн остью вещ ества: 1 см вещ ества п ульсара обладает плотностью 10
15
г/см
3
, т. е. три ллион тон н в см
3
. И м ен н о благодаря такой сверхплотности вещ ества
пульсар сам осохраняется при вращ ен и и с околосветовой ск оростью .
С ледовательно, когда м ы говорим о ком пактности пульсаров, то им еется в виду
сверхп лотн ость вещ ества в н и х как результат гравитационн ого сж атия:
цен тробеж ны е си лы долж н ы бы ть м ен ьш е сил тяготени я, связы ваю щ их вещ ество
пульсаров.
• В -четверты х, н еразгадан н ой загадкой оставалось излучен и е К рабови дн ой
тум ан ности в радио-, гам м а- и рентген овском ди ап азон ах, а такж е косм ических
лучей: К рабови дн ая тум анн ость — п оследствие взры ва сверхн овой , свети м ость
которого наблю дали в 1054 г.
Ч то ж е является действи тельны м источн и ком излучения в разли чн ы х ди апазонах
в К рабовидной тум ан н ости ? У чены х брало сом н ени е, что п осле девяти столети й
К рабовидная тум анн ость проявляет свою акти вн ость. И бо при такой активн ости срок
ж и зни К рабовидн ой тум анн ости н е более 300 лет, п о расчетам учен ы х.
Д ругое дело — если в К рабови дн ой тум анн ости и м еется вращ аю щ аяся
нам агничен н ая нейтронн ая звезда, которая является дей ствительн ы м и сточником
ради ои злучени я, наблю даем ого в ней.
С ледовательно, н е сам а К рабовидн ая тум анн ость является дей стви тельн ы м
источн и ком радиоизлучен и я, а пульсар как вращ аю щ аяся нам агн и ченн ая звезда со
сверхп лотн ы м вещ еством . М ало того, п ульсар как ком пактная ней трон н ая звезда
вращ ается вокруг собственной оси со скоростью , бли зкой к скорости света: эта
ком п актн ая н ейтрон н ая звезда за 1 с делает несколько десятков и сотен оборотов
вокруг себя. «К ем бридж ский п ульсар» и м еет п ери од излучени я и м п ульса 0,33 с, а
пульсар, обнаруж ен н ы й через год, — 0,033 с. Р екордсм еном является пульсар,
обнаруж енн ы й в 1982 г. в созвездии Л и сички: он и м еет п ери од 0,00155 с, т. е. с таким
пери одом долж ен вращ аться 645 об/с.
К ак бы ло отм ечено, на п оверхн ости пульсара сущ ествует атм осф ера из
м агнитн ого поля, сила которого в 10
12
раз п ревы ш ает си лу м агн и тного поля на
поверхности