Текст книги "ПОИСКИ ИСТИНЫ"

Автор книги: Александр Мигдал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 18 страниц)

СУДЬБА НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД

Незнание природы – величайшая неблагодарность.

Плиний Старшин

Я попытаюсь рассказать о сверхмощных взрывах звезд и о том, как возникают звезды, состоящие из нейтронов. Теория предсказывает, что в таких звездах может происходить еще не обнаруженный на опыте вид ядерных превращений – образование ядерного вещества с плотностью, намного большей, чем плотность атомных ядер (а плотность атомных ядер – порядка 1014 г/см3).

Для того чтобы разобраться в этих явлениях, нам придется обращаться ко многим областям физики. Здесь астрономия и теория тяготения переплетаются с физикой элементарных частиц и ядерной физикой.

Уже в древности астрономы заметили, что время от времени внезапно вспыхивают новые сверхъяркие звезды. Такая вспышка была, например, отмечена китайскими астрономами в 1054 году в Крабовидной туманности, входящей в состав нашей Галактики. Сейчас «вспышки сверхновых» хорошо изучены и обнаружены не только в нашей Галактике, но и в других звездных скоплениях. За несколько месяцев сверхновая испускает столько же света, сколько целая галактика, в которую входят десятки или сотни миллиардов солнц. По интенсивности и длительности излучения можно было установить, что полная энергия, выделяющаяся при вспышке сверхновой, составляет 1043-1045 джоулей. Между тем тепловая энергия звезды в тысячу раз меньше. Значительно меньше и энергия, которая могла бы выделиться при химических превращениях. Откуда же берется громадная энергия сверхновой? Этот вопрос долго оставался без ответа. Надежды объяснить вспышки сверхновых появились только после открытия ядерных реакций, освобождающих энергию в миллионы раз большую, чем химические превращения.

Ярче ста миллиардов солнц

Итак, источником энергии сверхновой могли бы быть ядерные реакции, протекающие внутри звезды. Существует, впрочем, еще более мощный источник – это гравитационная энергия звезды. Однако освободить эту энергию можно только с помощью ядерных превращений. Если в ходе ядерных реакций плотность центральной части звезды увеличится, то под действием сил тяготения вещество наружных областей начнет падать к центру, приобретая кинетическую энергию. Иными словами, потенциальная энергия тяготения превратится в кинетическую энергию звездного вещества.

Плотность звезды определяется равновесием между силой тяжести и силой давления вещества звезды. Для того чтобы звезда сжалась, давление должно уменьшиться. Очень сильное уменьшение давления могло бы произойти при образовании нейтронного вещества, когда протоны и электроны превращаются в нейтроны. Попробуем в этом разобраться.

Давление пропорционально кинетической энергии частиц, из которых состоит вещество. При понижении температуры падает кинетическая энергия частиц и поэтому падает давление. Однако даже при абсолютном нуле температуры кинетическая энергия частиц не равна нулю. Дело в том, что нейтроны, протоны и электроны подчиняются запрету Паули – две одинаковые частицы со спином 1/2 не могут находиться в одном и том же состоянии. По этой причине даже при абсолютном нуле температуры частицы не покоятся и обладают разными скоростями – как говорят, разбросаны по скоростям. При этом наибольшую кинетическую энергию имеют легкие частицы. Таким образом, главный вклад в давление в звезде вносят электроны, масса которых приблизительно в две тысячи раз меньше массы протона или нейтрона. Неудивительно, что сила тяжести сжимает нейтронное вещество до гораздо большей плотности, чем обычное вещество, состоящее из атомных ядер и электронов, – ведь при этом легкие частицы заменяются тяжелыми, и давление резко падает.

Если бы в результате ядерных превращений звезда могла превратиться в нейтронную, то это привело бы к резкому сжатию звезды и за короткое время освободилась бы громадная энергия. Достаточна ли она для объяснения вспышки сверхновой? Этот вопрос пока остается без ответа. При таком внезапном сжатии звезды должны возникать могучие упругие волны, идущие от центра. Под их действием наружная часть звезды могла бы сбрасываться, превращаясь в горячий газ, который разлетается с громадной скоростью. Свечение этого газа и объясняло бы длительность вспышек сверхновой.

Итак, всвышки сверхновых перестали казаться загадочным явлением – появились надежды объяснить их как следствие сжатия звезд в ходе ядерных превращений.

Но от догадки до прочно установленного утверждения нужно пройти долгий путь сомнений и доказательств.

В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Уже два года спустя астрономы Карл Бааде и Вальтер Цви-ки сделали предположение, что вспышки сверхновых возникают в процессе рождения нейтронной звезды. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть эту догадку, следовало изучить свойства нейтронного вещества и выяснить, может ли оно образоваться внутри звезды. А для этого понадобилось около тридцати лет экспериментального н теоретического исследования ядерной материи.

Что же стало известно в результате этого исследования?

Нейтронная жидкость

В 1937 году Л. Д. Ландау высказал мысль, что звезда достаточно большой массы должна состоять из нейтронного вещества. Для образования нейтронного вещества атомные ядра и электроны должны превратиться в нейтроны. Допустим, что звезда состоит из кислорода. В ядре каждого атома кислорода имеется восемь нейтронов и восемь протонов. Восемь протонов ядра и восемь электронов, окружающих атомное ядро кислорода, должны превратиться в восемь нейтронов. Эта реакция энергетически невыгодна – на образование каждого нейтрона надо израсходовать несколько миллионов электрон-вольт. Если масса звезды достаточно велика, процесс образования нейтронов с избытком обеспечивается энергией, выделяющейся при сжатии звезды. В 1937 году Ландау показал, что превращение кислорода в нейтронное вещество делается энергетически возможным уже при массе звезды, составляющей малую долю массы Солнца. Однако такое превращение не может произойти сразу, а только через целую цепь ядерных реакций; каждая из этих реакций требует сравнительно небольшой затраты энергии, которая берется из энергии теплового движения частиц звезды.

Для того чтобы убедительно доказать возможность образования нейтронной звезды, понадобились детальные сведения о ядерных реакциях и особенно о свойствах нейтронного вещества. Эти сведения были получены из анализа свойств атомных ядер и из опытов по рассеянию нейтронов и протонов на ядрах. Например, стало известно, что на малых расстояниях притяжение между нуклонами (нейтронами и протонами) сменяется отталкиванием, что затрудняет сжатие нейтронного вещества до плотности, в несколько раз превышающей ядерную плотность. Некоторые из энергетических уровней ядра связаны с его вращением вокруг собственной оси. Измеряя энергии спектральных линий, испускаемых при переходах между такими уровнями, можно определить моменты инерции ядер.

Моменты инерции оказались значительно меньше, чем они должны быть у шарика того же радиуса и той же плотности, что и ядро. Это значит, что во вращение вовлекается не все вещество ядра. Следовательно, отдельные части ядра могут двигаться без трения друг относительно друга – иначе обязательно завращалось бы все вещество. Теоретический анализ экспериментальных данных по моментам инерции ядер позволил автору этой книги в 1959 году сделать утверждение о том, что нейтронное вещество при ядерной плотности должно быть сверхтекучим, то есть двигаться без трения вплоть до температур Т~10^{10} К.

Итак, физики пришли к выводу, что под большим давлением из обычного вещества должна образоваться нейтронная сверхтекучая жидкость, которая будет сжиматься в звезде до ядерных плотностей. Однако все заключения о свойствах нейтронного вещества были абстрактной игрой ума, поскольку само существование нейтронных звезд оставалось только правдоподобным предположением. Так было вплоть до 1968 года.

Открытие пульсаров

В 1968 году группа астрономов из Кембриджа открыла звезду с пульсирующим излучением – пульсар. Уже через год десятки пульсаров были обнаружены многими обсерваториями земного шара. Это открытие стало

возможным благодаря развитию радиоастрономии, позволяющей обнаруживать объекты со светимостью в 1010 меньшей, чем у тех, которые доступны оптическим телескопам.

Пульcары – это звезды, испускающие импульсы радиоизлучения длительностью в 10 div 30 мкс, следующие строго периодично с периодом порядка 10-2 div 1 с. Строжайшая периодичность излучения вместе со сложной формой импульсов навели астрономов, открывших первый пульсар, на мысль о сигналах внеземной цивилизации. Однако после того как десятки пульсаров обнаружились в разных областях Вселенной, эта мысль отпала сама собой. В самом деле, возникновение жизни – событие крайне маловероятное, и Вселенная не может быть заселена так густо. Предположить же, что все инопланетяне дают о себе знать одинаковым способом, просто нелепо. Чем же объясняется поразительно точная периодичность импульсов радиоизлучения пульсаров?

Детальный анализ всех возможных типов периодических движений привел астрофизиков к однозначному заключению: период пульсара соответствует периоду обращения звезды вокруг своей оси.

Следовательно, пульсар – это звезда, вращающаяся с громадной скоростью: за земные сутки она совершает миллионы оборотов. Сейчас мы увидим, что из этого вытекает важнейшее следствие.

Пульсары – нейтронные звезды

Для того чтобы материя звезды не разлеталась при таком быстром вращении, сила тяжести на поверхности звезды должна превосходить центробежную силу. А это возможно только при очень большой плотности звезды. Простой расчет показывает, что пульсар с периодом обращения 0,1 с должен иметь плотность больше 1010 г/см3. Обычное вещество нельзя сжать до такой громадной плотности. Только нейтронное вещество, которое сжимается до ядерной плотности при массе звезды порядка массы Солнца, может вращаться с угловой скоростью пульсара, не разлетаясь при этом.

Таким образом, физики пришли к заключению, что пульсары и есть те самые нейтронные звезды, существование которых предсказал Ландау.

Подтвердилось и предсказание о сверхтекучести вещества нейтронных звезд. Оказалось, что в некоторых

случаях период пульсара внезапно уменьшается. Это явление было названо «сбоем». Уменьшение периода естественно объяснить звездотрясением. Если при звез-дотрясении звезда внезапно сделается менее сплюснутой, то ее момент инерции уменьшится: тем самым уменьшится и период вращения.

Однако после начала «сбоя», когда звездотрясение уже окончилось, период продолжает уменьшаться еще долгое время: в одном случае несколько суток, в другом – несколько лет. Объяснить столь длительное изменение периода можно, только предположив, что после того, как наружная часть звезды, состоящая из обычного вещества, ускорила свое движение, нейтронная сердцевина продолжает вращаться с прежней скоростью, и лишь через длительное время скорости сравниваются. Но это означает, что нейтронная сердцевина находится в сверхтекучем состоянии! Ведь при обычном трении скорости выравнялись бы за несколько секунд.

Связано ли образование нейтронных звезд со вспышками сверхновых, как это предполагали Бааде и Цвики?

Некоторые пульсары расположены там, где вспыхивали сверхновые -¦ например, пульсар в Крабовидной туманности. Но в большинстве случаев такой связи нет.

Это означает, что иногда нейтронные звезды рождаются без образования сверхновых; и наоборот, некоторые вспышки возникают в результате ядерных реакций, не приводящих к образованию нейтронной звезды с пульсирующим излучением, или, быть может, появляются после взрыва нейтронной звезды. Но об этом речь пойдет дальше.

Теперь мы можем приступить к рассказу о судьбе нейтронной звезды, масса которой растет. Масса звезды может увеличиваться от падения на нее небесных тел и за счет притока вещества от соседних звезд меньшей массы. Рост массы приводит к увеличению плотности в центре звезды.

Как мы увидим, при достаточно большой плотности нейтронная жидкость скачком переходит в новое сверхплотное состояние. При этом выделяется громадная энергия, и звезда взрывается. Причина этого перехода – неустойчивость вакуума в сильных полях, о которой мы говорили в предыдущем разделе. При большой плотности вещества возникает пионный конденсат.

Но как связана пионная конденсация с интересующей нас судьбой нейтронных звезд?

Пионная конденсация в нейтронной жидкости

Когда плотность в центре нейтронной звезды достигает критического значения пс , соответствующего пионной конденсации, должен наступить драматический поворот в судьбе звезды. Сначала в центре звезды возникает зародыш нового сверхплотного состояния нейтронного вещества. Такая конфигурация оказывается неустойчивой – по мере увеличения радиуса зародыша освобождается энергия тяготения. В равновесном состоянии значительная часть звезды должна стать сверхплотной. Поэтому сверхплотный зародыш начинает расти – вещество наружных частей звезды с большой скоростью устремляется к границе зародыша. К тому времени, когда радиус сверхплотной сердцевины достигает величины, соответствующей равновесному состоянию, вещество наружных областей продолжает по инерции двигаться, и радиус сердцевины проскакивает свое равновесное значение. Поскольку равновесие нарушено, начинается обратное движение. Таким образом, радиус сверхплотного зародыша сначала резко возрастает, а затем колеблется около значения, сравнимого с радиусом нейтронной звезды. Процесс образования сверхплотной звезды занимает тысячные доли секунды. При этом переходе выделяется энергия, в несколько раз большая той, которая освобождается при образовании нейтронной звезды. Можно ожидать, что под действием упругих волн, возникающих при колебании радиуса сверхплотной сердцевины, наружная часть звезды выбрасывается в сильно нагретом состоянии, и картина взрыва напоминает вспышку сверхновой.

Таким образом, помимо вспышек, вызванных ядерными реакциями и предшествующих образованию нейтронной звезды, возможны вспышки другой природы, возникающие в результате пионной конденсации и последующего взрыва нейтронной звезды.

К каким последствиям может привести взрыв нейтронной звезды?

Черные дыры

Если заключение о взрыве нейтронной звезды, вызванном пионной конденсацией, будет убедительно доказано теоретически или подтвердится наблюдениями, это будет означать, что нейтронные звезды не могут иметь плотность, превышающую критическое значение пс (как показывает расчет, пс имеет тот же порядок, что и ядерная плотность). Между тем принципиально важно знать, существуют ли звезды с плотностью, значительно превышающей ядерную.

Согласно общей теории относительности при массе звезды, превышающей 2-3 массы Солнца, возникает гравитационная неустойчивость – звезда начинает сжиматься, и, после того как ее радиус сделается меньше некоторого критического значения (гравитационный радиус), никакие силы отталкивания не смогут удержать материю от падения к центру – сжимающее давление сил тяжести превышает расталкивающее давление частиц вещества. Это явление называют коллапсом звезды. Оно заканчивается образованием нового объекта – черной дыры.

Черная дыра проявляет себя практически только как источник гравитационного поля. Тело, попадающее в поле черной дыры, падает к центру дыры и перестает быть видимым. Какую бы энергию ни имела частица, она не может вырваться из черной дыры – ведь с увеличением энергии частицы согласно Эйнштейну увеличивается ее масса, а следовательно, и притяжение к черной дыре. Из черной дыры не только нельзя отправить космический корабль, но даже нельзя подать световой сигнал.

В двойных звездах материя легкой звезды перетекает к более тяжелой. Анализ излучения перетекающего вещества позволяет в нескольких случаях заподозрить, что тяжелый партнер – черная дыра.

Но если бы оказалось, что нейтронные звезды в результате взрыва, вызванного пионной конденсацией, разбрасывают материю уже при ядерных плотностях, то черные дыры не могли бы образоваться.

Другое явление, вызывающее интерес к сверхплотной материи, состоит в том, что при достаточно большой плотности нейтронное вещество может перейти в новое состояние – кварковую материю.

Кварковые звезды

Напомним, что говорилось в «Истории одной симметрии». Все сильно взаимодействующие элементарные частицы – такие частицы называются адронами – состоят из нескольких типов кварков – частиц с дробным электрическим зарядом, равным -1/3 или +2/3 от заряда электрона. Нейтрон и протон (а они – адроны) состоят из трех кварков, а пи-мезон – из кварка и антикварка. Кварки, по-видимому, не существуют как свободные частицы. До сих пор все попытки обнаружить отдельный кварк давали отрицательный результат. Но зато на малых расстояниях между ними их свойства настолько хорошо изучены, что сейчас у большинства физиков нет сомнения в реальности этих частиц. Из анализа опытов по рассеянию адронов друг на друге удалось установить, что при сближении кварков взаимодействие между ними уменьшается.

Это явление было названо асимптотической свободой.

Когда сталкиваются два энергичных адрона, содержащиеся в них кварки не вылетают, а превращаются в другие нуклоны или пи-мезоны.

Для наглядности можно себе представить, что ад-рон – это нечто вроде мешка, в котором кварки движутся свободно, но за пределы которого они не могут удалиться. Если сблизить два нуклона на расстояние, меньшее размера мешка, то получится один общий мешок, в котором будет уже шесть кварков.

При большой плотности нейтронного вещества, когда расстояния между нейтронами сравнимы с радиусом мешка, нейтроны распадаются на свои составные части – нейтронная материя превращается в кварковую. Как показывают расчеты, звезда делается кварковой, когда ее плотность в 10-20 раз превышает ядерную. При этом переходе выделяется энергия и может произойти еще один взрыв звезды.

Осуществляется ли в природе кварковое состояние звезды? Или нейтронная материя уже при ядерной плотности взрывается и разбрасывается? Возможно ли, несмотря на это, образование черных дыр? Уже тот факт, что мы можем ставить такие вопросы, показывает, как далеко мы продвинулись в понимании структуры нейтронных звезд.

У каждого из нас есть свое ощущение красоты Вселенной. Удалось ли мне добавить новые краски к вашей картине мира?

Теперь, когда прочитана книга, оглянемся назад, подведем итоги.

Основа работы в любой области науки – научный

метод познания. Это не только совокупность технических приемов, как гаммы для музыканта, но и то, что в музыке называется теорией гармонии, – фундамент мировоззрения ученого. Научный метод позволяет отделить достоверное от невозможного, отделить самую красивую и даже правдоподобную догадку от доказанного утверждения.

Главное в определении научной истины – эксперимент. Эксперимент устанавливает факты. Но собрание фактов нужно превратить в стройную систему представлений – теорию, которая дает возможность предсказывать новые явления. И здесь ведущую роль играют интуиция и здравый смысл.

Как альпинисту необходимо не только владеть техникой восхождения, иметь хорошую физическую подготовку, но и обладать особыми личными психологическими качествами, так и ученому, кроме безупречного владения научным методом, нужно воспитать себя для подвижнической работы.

Любопытство, желание узнать, как устроена природа, умение удивляться, радоваться любому малому открытию, способность чувствовать красоту – эти качества должны определять выбор научной профессии.

В награду тому, кто решился посвятить себя науке, открывается удивительная стройность, красота природы, скрытая от самого пристального взгляда, – из разрозненных явлений возникает единая картина Вселенной.

Все это относится к работе в любой опытной науке – физике, химии, биологии, астрономии… Что же такое теоретическая физика и как работают физики-теоретики? Они изучают природу с помощью бумаги и карандаша, выводя новые соотношения между наблюдаемыми величинами, опираясь на ранее найденные экспериментально и теоретически законы природы. Задача теоретической физики – нарисовать по возможности точную картину мира, используя все известные экспериментальные и теоретические факты, используя основанные на интуиции догадки, которые в дальнейшем будут проверены на опыте. Мы проследили путь теоретиков на примере истории зарождения и развития квантовой теории – это все тот же трудный путь от смутной догадки к научной истине.

Конкретные технические приемы теоретика – качественный анализ, когда почти без вычислений получа-

ются грубые соотношения между величинами, проясняется физическая картина явления, возникает проект решения; и затем получение количественных соотношений с помощью математического» аппарата теории.

Подступая к тайнам мироздания, можно увидеть, как далекие друг от друга объекты физического исследования – пустота, ядра, звезды – теснейшим образом связываются между собой. Все области физики переплетаются в один клубок и являют конкретное воплощение единства природы.

Когда изучаешь чужой язык, после долгой зубрежки падежей и грамматических форм, после безнадежного непонимания приходит вдруг чудесный миг прозрения, и незнакомые слова превращаются в сонет Шекспира, комедию Мольера, строки Сервантеса. Такое же чудо ожидает тех, кто изучает язык Природы. Позади сомнения, ошибки, поиски, бесконечные загадки – нам открывается полный чудес, бесконечно прекрасный новый мир.