Текст книги "Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых"
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 17 страниц)
Однако сам факт, что корона ослабевает до полного исчезновения для глаз наблюдателя, еще не означает, что она не продолжает существовать в виде устремленных в пространство частиц. Американский физик Юджин Паркер (р. 1927) в 1959 г. назвал эти быстрые частицы солнечным ветром.
Солнечный ветер, расширяясь, достигает ближних планет и проходит еще дальше. Пробы, выполненные с помощью ракет, показали, что солнечный ветер обнаружим за пределами орбиты Сатурна и, по-видимому, будет обнаруживаться даже за орбитами Нептуна и Плутона.
Другими словами, все планеты, обращающиеся вокруг Солнца, движутся внутри широчайшей его атмосферы. Однако эта атмосфера настолько разрежена, что не отражается сколько-нибудь ощутимо на движении планет.
И все же солнечный ветер вещь не настолько призрачная, чтобы не проявить себя множеством способов. Частицы солнечного ветра электрически заряжены, и эти частицы, захваченные магнитным полем Земли, образуют «пояса Ван Аллена» [3]3
Внутренняя ближайшая к Земле часть радиационного пояса, «пояса Ван Аллена», формируется протонами и электронами, возникающими при распаде нейтронов, выходящих из верхних слоев атмосферы Земли, – Примеч. ред.
[Закрыть] зажигают полярное сияние, сбивают с толку компасы и электронное оборудование. Солнечные вспышки на какой-то момент усиливают солнечный ветер и на какое-то время значительно повышают интенсивность этих эффектов.
В окрестностях Земли частицы солнечного ветра проносятся со скоростью 400–700 км/с, а количество их в 1 см3 варьируется от 1 до 80. Если бы эти частицы ударялись о земную поверхность, они самым вредным образом влияли бы на все живое, к счастью, мы защищены магнитным полем Земли и ее атмосферой.
Количество вещества, теряемого Солнцем через солнечный ветер, – 1 млрд. кг/с. По человеческим меркам ужасно много, для Солнца это сущий пустяк. Солнце находилось на главной последовательности около 5 млрд. лет и будет оставаться на ней еще 5–6 млрд. лет. Если в течение всего этого времени оно теряло и будет терять с ветром свою массу с теперешней скоростью, то общая потеря Солнца за весь срок его жизни как звезды главной последовательности составит 1/5 его массы.
Тем не менее 1/5 массы всякой солидной звезды не является средним количеством, приплюсовываемым к общему запасу вещества, дрейфующего в огромных пространствах между звездами. Это только пример того, как вещество может уходить от звезд и присоединяться к общему запасу межзвездного газа.
Наше Солнце не является в этом смысле чем-то необычным. У нас есть все основания считать, что каждая звезда, еще не закончившая коллапсом, посылает звездный ветер.
Конечно, мы не в состоянии изучать звезды так, как изучаем Солнце, но кое-какие обобщения можно сделать. Есть, например, маленькие холодные красные карлики, которые через неравные промежутки времени внезапно обнаруживают усиление яркости, сопровождаемое побелением света. Это усиление длится от нескольких минут до часа и обладает такими особенностями, что его вполне можно принять за вспышку на поверхности маленькой звезды.
Эти красные карлики поэтому и называют вспыхивающими звездами.
Вспышка по величине своей менее слабая, чем солнечная, на маленькой звезде приобретет эффект гораздо более заметный. Если достаточно крупная вспышка способна увеличить сияние Солнца на 1 %, то такой же вспышки будет достаточно, чтобы усилить свет тусклой звезды в 250 раз.
В итоге вполне может статься, что красные карлики шлют звездный ветер весьма внушительного свойства.
Некоторые звезды, вероятно, посылают необычайно сильный звездный ветер. Красные гиганты, к примеру, имеют непомерно растянутую структуру, крупнейшие из них в диаметре в 500 раз больше Солнца. Отсюда их поверхностная гравитация относительно мала, так как крупная масса огромного красного гиганта едва уравновешена необычно большим расстоянием от центра к поверхности. Кроме того, красные гиганты приближаются к концу своего существования и закончат его коллапсом. Поэтому они чрезвычайно турбулентны.
Можно отсюда предположить, что мощные вихри уносят звездную материю вопреки слабому поверхностному притяжению.
Большой красный гигант Бетельгейзе достаточно близок к нам, и астрономы в состоянии собрать о нем кое-какие данные. Например, считается, что звездный ветер Бетельгейзе в миллиард раз сильнее, чем солнечный. Даже учитывая, что масса Бетельгейзе в 16 раз больше массы Солнца, эта масса при такой скорости расхода может растаять полностью примерно через миллион лет (если не коллапсирует много раньше).
По-видимому, мы можем предположить, что солнечный ветер нашего светила не слишком далек от средней интенсивности всех звездных ветров вообще. Если мы допустим, что в нашей галактике имеется 300 млрд. звезд, то общая масса, потерянная через звездный ветер, будет равняться З Х 1020 кг/с.
Это значит, что каждые 200 лет от звезд в межзвездное пространство уходит количество вещества, равное массе Солнца. Приняв, что нашей Галактике 15 млрд. лет и что солнечные ветры на протяжении этого времени «дули» одинаково, получим, что общая масса вещества, перенесенного от звезд в пространство, равна массе 75 млн. звезд, как наше Солнце, или приблизительно 1/3 массы Галактики.
Но звездные ветры берут начало с поверхностных слоев звезд, а эти слои целиком (или почти целиком) состоят из водорода и гелия. Поэтому звездные ветры целиком (или почти целиком) содержат те же водород и гелий и никаких тяжелых ядер в галактическую смесь не привносят.
Тяжелые ядра образуются в центре звезды и, будучи далеки от звездной поверхности, при образовании звездного ветра остаются недвижимы.
Когда в верхних слоях звездной структуры имеются какие-то следы тяжелых ядер (что имеет место у нас на Солнце), звездный ветер, естественно, включает эти немногие ядра. Тяжелые ядра изначально не были образованы в недрах звезд, но появились там, когда звезда уже сформировалась. Они возникли от действия какого-то внешнего источника, который нам предстоит найти.
ВЫХОД ЧЕРЕЗ КАТАСТРОФУ
Если звездные ветры – это не тот механизм, благодаря которому тяжелые ядра переносятся из центра звезды во внешнее пространство, тогда обратимся к бурным событиям, происходящим, когда звезда покидает главную последовательность.
Здесь мы сразу же должны вычеркнуть большинство звезд.
Примерно 75–80 % существующих звезд много меньше Солнца. Они остаются в главной последовательности где-то от 20 до 200 млрд. лет, в зависимости от того, насколько они малы, а это значит, что ни одна из мелких звезд, существующих ныне, еще не покидала главной последовательности. Даже самые старые из них, образовавшиеся на заре Вселенной в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, еще не успели израсходовать свое водородное горючее до того предела, когда они должны будут оставить главную последовательность.
Кроме того, когда маленькая звезда в самом деле покидает главную последовательность, она делает это без лишнего шума. Насколько мы знаем, чем меньше звезда, тем спокойнее она покидает эту последовательность. Маленькая звезда (как в общем и все звезды), расширяясь, превратится в красный гигант, но в данном случае это расширение приведет к образованию небольшого красного гиганта. Он, вероятно, проживет значительно дольше, чем другие, более крупные и заметные, и в конце концов, коллапсируя, более или менее спокойно превратится в белый карлик, конечно, не такой плотный, как Сириус В.
Тяжелые элементы, образовавшиеся в глубинах маленькой звезды (в основном углерод, азот и кислород), оставаясь в ее ядре в течение ее существования в главной последовательности, будут оставаться там и после превращения звезды в белый карлик. Ни при каких обстоятельствах не перейдут они в хранилище межзвездного газа более чем в ничтожном количестве. За исключением очень редких случаев, тяжелые элементы, возникшие в маленьких звездах, остаются в этих звездах неопределенно долго.
Звезды, по массе равные Солнцу (а таких 10–20 %), коллапсируют и превращаются в белые карлики, пробыв на главной последовательности всего от 5 до 15 млрд. лет. Наше Солнце, которое должно находиться в главной последовательности около 10 млрд. лет, все еще находится на ней, потому что оно образовалось только 5 млрд. лет назад.
Солнцеобразные звезды, возрастом старше нашего Солнца, к настоящему дню, пожалуй, давно покинули главную последовательность. То же самое произошло и с другими такими же звездами, которые возникли еще в младенчестве нашей Вселенной. Звезды, равные по массе Солнцу, образуют более крупные красные гиганты, чем маленькие звезды, и эти красные гиганты, достигнув точки превращения в белый карлик, коллапсируют более бурно, чем эти звезды. Энергия коллапса сдувает верхние покровы звезды и уносит их в пространство, образуя планетарную туманность описанного ранее типа.
Расширяющийся заряд газа, образовавшийся при коллапсе солнцеобразной звезды, может содержать от 10 до 20 % ее первоначальной массы. Однако эта материя уносится с наружных областей звезды, и, даже когда такие звезды стоят на грани коллапса, эти области, в сущности, не что иное, как смесь водорода с гелием.
Даже тогда, когда в результате турбулентности звезды, стоящей на точке коллапса, тяжелые ядра из ее недр выносятся на поверхность и выбрасываются в космос как часть газового потока, все равно это крошечная, едва заметная часть тех тяжелых ядер, что существуют в межзвездных газовых облаках.
Но раз уж мы остановились на том, как образуются белые карлики, уместен вопрос: а что происходит в тех особых случаях, когда белый карлик не означает конец, но служит фактором распределения вещества в космосе?
Ранее в этой книге мы говорили о белых карликах как о части тесной двойной системы, способной наращивать материю за счет звезды-компаньона, приближающейся к стадии красного гиганта. Время от времени часть этой материи на поверхности белого карлика охватывается ядерной реакцией и высвобождающаяся огромная энергия, с силой выбрасывая в космос продукты синтеза, заставляет его вспыхивать с яркостью новой.
Но материал, наращиваемый белым карликом, это в основном водород и гелий из наружных слоев раздувающегося красного гиганта. Реакция синтеза превращает водород в гелий, и в космос при взрыве взлетает именно облако гелия.
Значит, и в этом последнем случае если какие-то тяжелые ядра и поступили от звезды-компаньона или образовались в процессе синтеза, то число их так ничтожно, что ими не объяснить того множества тяжелых ядер, что рассеяно в межзвездных облаках.
С чем же мы остаемся?
Единственный возможный источник тяжелых ядер – это сверхновая.
Сверхновая типа 1, как я ранее объяснял, возникает на той же почве, на какой возникают обычные новые: белый карлик получает материю от близрасположенного компаньона, собирающегося стать красным гигантом. Разница в том, что здесь белый карлик стоит у предела массы Чандрасекара, поэтому добавляемая масса в конце концов выводит его за этот предел. Белый карлик обречен на коллапс. При этом в нем возникает мощнейшая ядерная реакция и он взрывается.
Вся его структура, равная по массе 1,4 массы Солнца, разлетается в прах и превращается в облако расширяющегося газа.
Некоторое время мы наблюдаем его как сверхновую, но это излучение, очень сильное в первый момент, постепенно исчезает. Остается только облако газа, которое расширяется миллионы лет, пока не сольется с общим фоном межзвездного газа.
При взрыве белого карлика в космос рассеивается огромное количество углерода, азота, кислорода и неона (из всех тяжелых ядер наиболее распространенных элементов). В ходе самого взрыва происходит дальнейшая ядерная реакция, в результате которой образуются небольшие количества ядер еще более тяжелых, чем неон. Разумеется, лишь очень немногие белые карлики достаточно массивны и достаточно близки к большой звезде-компаньону, чтобы стать сверхновой типа 1, но на протяжении 14 млрд. лет жизни Галактики таких взрывов было так много, что ими с лихвой можно объяснить значительное количество тяжелых ядер, имеющихся в межзвездном газе.
Остальные тяжелые ядра существуют в межзвездной среде как результат эволюции сверхновых типа 2. Речь идет, как было сказано, о массивных звездах, которые в 10, 20 и даже в 60 раз тяжелее Солнца.
На этапе существования звезд в виде красных гигантов в их ядрах происходит ядерный синтез, продолжающийся до тех пор, пока там не начнут во множестве образовываться ядра железа. Образование железа – это тупик, за которым ядерный синтез не может больше существовать как устройство, производящее энергию. Поэтому звезда переживает коллапс.
Хотя ядро звезды содержит в последовательно более глубоких слоях тяжелые ядра, вплоть до ядер железа, внешние области звезды все еще имеют внушительные количества нетронутого водорода, ни разу не находившегося в условиях высоких температур и давлений, которые могли бы принудить его вступить в ядерную реакцию.
Коллапс гигантской звезды настолько стремителен, что она испытывает резкое, катастрофическое возрастание и температуры и давления. Весь водород (и гелий тоже), существовавший до сих пор безмятежно, теперь вступает в реакцию, причем вступает весь сразу. В результате происходит колоссальный взрыв, который мы наблюдаем с Земли как сверхновую типа 2.
Энергия, высвобождаемая при этом, может идти и действительно идет на ядерные реакции, способные образовать ядра более тяжелые, чем ядра железа. Такое образование ядер требует притока энергии, но в разгар неистовства сверхновой энергии не занимать… Так происходит образование ядер вплоть до урана и тяжелее. Достаточно энергии и для образования радиоактивных (т. е. неустойчивых) ядер, которые со временем распадутся.
Фактически все тяжелые ядра, существующие во Вселенной, образовались в результате взрывов сверхновых типа 2.
Конечно, такие массивные звезды, из которых обязательно должна получиться сверхновая типа 2, встречаются не часто. Лишь одна звезда из миллиона, а может быть и того меньше, обладает для этого достаточной массой. Однако это и не такой уж редкий случай, как кажется на первый взгляд.
Таким образом, в нашей Галактике имеются десятки тысяч звезд, являющихся потенциальными сверхновыми типа 2.
Поскольку гигантские звезды могут оставаться в главной последовательности самое большее несколько миллионов лет, мы вправе удивиться: почему же они все давным-давно не взорвались и не исчезли? Дело в том, что новые звезды образуются все время и некоторые из них – звезды с очень большой массой. Сверхновые типа 2, которые мы теперь наблюдаем, – это извержения звезд, образовавшихся всего несколько миллионов лет назад. Сверхновые типа 2, которые произойдут в далеком будущем, станут взрывами крупных звезд, которых еще нет сегодня. Может быть, появятся сверхновые и более грандиозные. Еще сравнительно недавно астрономы были уверены, что звезд с массой в 60 раз больше солнечной вообще, наверное, не существует. Считалось, что такие звезды в ядрах своих будут развивать так много тепла, что моментально взорвутся, несмотря на огромную гравитацию.
Другими словами, они даже никогда бы не смогли и образоваться.
Однако в 80-х годах поняли, что в этих рассуждениях не принимались в расчет некоторые аспекты общей теории относительности Эйнштейна. После того как эти аспекты были учтены в астрономических вычислениях, оказалось, что звезды размером в 100 солнечных диаметров и массой в 2000 раз большей, чем масса Солнца, все еще могут быть устойчивы. Более того, несколько астрономических наблюдений подтвердили, что подобные сверхмассивные звезды действительно существуют.
Естественно, сверхмассивные звезды со временем коллапсировали и взрывались как сверхновые, которые производили гораздо больше энергии и в продолжение гораздо большего времени, чем обычные сверхновые. Эти сверхвзрывы мы, по-видимому, должны рассматривать как сверхновые типа 3.
Примерно в это же время советский астроном В. П. Утробин решил ретроспективно изучить астрономические записи прошлых лет, чтобы найти там сверхновую, которая по природе своей была бы сверхновой типа 3. Он высказал предположение, что сверхновая, обнаруженная в 1901 г. в галактике созвездия Персея, именно тот случай. Вместо того чтобы достичь пика блеска за несколько дней или недель, этой сверхновой для достижения максимума блеска потребовался целый год, после чего она очень медленно угасала, оставаясь на виду девять последующих лет.
Излученная ею суммарная энергия была в 10 раз больше, чем энергия обычной сверхновой. Даже в наше время астрономам это показалось фантастикой, и они были явно озадачены.
Такие сверхтяжелые звезды – явление крайне редкое, но количество тяжелых ядер, которые они вырабатывают, в тысячу раз и более превышает количество ядер, производимых обычными сверхновыми. Это значит, что вклад тяжелых ядер в облака межзвездного газа, вносимый сверхтяжелыми звездами, очень велик. В нашей Галактике за время ее существования было, по-видимому, 300 млн. взрывов всевозможных сверхновых (и аналогичное же количество, с поправкой на разность в размерах, в каждой другой), и этого вполне достаточно, чтобы объяснить запасы тяжелых ядер в межзвездном газе, в наружных слоях обычных звезд (и в дополнение к нашей планетной системе – в любых планетах).
Теперь вы видите, что фактически вся Земля и все мы почти полностью состоим из атомов, образовавшихся в недрах звезд (отличных от нашего Солнца) и рассеянных в Космосе при ранних взрывах сверхновых. Мы не можем указать на отдельные атомы и сказать, на какой звезде они родились и когда именно их выбросило в Космос, но мы знаем, что они зародились на какой-то отдаленной звезде и пришли к нам вследствие взрыва в отдаленном прошлом.
Мы, и наш мир, таким образом, не только произошли из звезд, но из взрывающихся звезд. Мы произошли из сверхновых!
ГЛАВА 8
ЗВЕЗДЫ И ПЛАНЕТЫ
ЗВЕЗДЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Вселенная началась Большим взрывом приблизительно 15 млрд. лет назад. В этот момент она имела ничтожно малый размер и непостижимо высокую температуру.
Очень быстро она расширилась и остыла. Первоначальный ее состав – фотоны (радиация) и кварки плюс электроны и нейтрино, но очень скоро последовали тяжелые субатомные частицы – протоны и нейтроны. По мере дальнейшего расширения и остывания Вселенной из протонов и нейтронов возникли такие ядра, как водород-2, гелий-3 и гелий-4, но ничего больше. Через несколько минут этот процесс был закончен, и за это время во Вселенной был создан огромный запас ядер водорода и гелия.
Дальнейшее расширение и охлаждение в течение, может быть, 700 000 лет привело к падению температуры до точки, когда отрицательно заряженные электроны могли расположиться вблизи положительно заряженных протонов и более сложных ядер, удерживаясь на месте электромагнитными силами.
Так образовались атомы водорода и гелия. Атомы гелия остаются одиночками при любых обстоятельствах; если при достаточно высокой температуре сталкиваются два атома водорода, они остаются вместе, образуя двухатомное соединение, называемое молекулой водорода.
Одновременно с продолжавшимся расширением и охлаждением Вселенной расширялись во всех направлениях и водород с гелием. Поэтому мы можем предположить, что Вселенная состояла из однородного облака этих смешанных газов, которые становились все более разреженными, заполняя собой все увеличивающийся объем пространства по мере расширения Вселенной.
Однако по какой-то причине это облако не сохранило одинаковой плотности и не осталось однородным. Может быть, в результате беспорядочных флюктуаций и вызванных ими завихрений атомы двигались так, что возникли медленно кружащиеся зоны с большей плотностью, перемежающиеся зонами с меньшей плотностью. Если бы атомы продолжали двигаться произвольно, то с течением времени общая картина бы выровнялась. Области высокой плотности потеряли бы часть атомов для областей низкой плотности, т. е. имелась бы постоянная тенденция к восстановлению однородности. Конечно, хаотическое движение, или турбулентность, продолжало бы создавать области высокой плотности, но эти очаги бесконечно перемещались бы в пространстве (подобно областям высокого и низкого давления в нашей собственной атмосфере).
Но, однажды образовавшись, область высокого давления может оказаться и постоянной. Интенсивность гравитационного поля в такой области растет по мере увеличения ее плотности. Гравитационное поле, становясь все сильнее, преодолевает стремление беспорядочно движущихся атомов к разбеганию. Область высокой плотности могла, по-видимому, иметь настолько мощное гравитационное поле, что захватывала атомы из областей менее плотных, поэтому области высокой плотности становились еще плотнее, а области низкой плотности еще разреженнее.
Итак, однородная первоначально смесь водорода и гелия с течением времени сгустилась в огромные облака газа, отделенные друг от друга почти полным вакуумом. Эти огромные по массе и объему газовые облака, которые связываются в нашем представлении с целыми галактиками или со скоплением галактик, мы могли бы назвать протогалактиками. Внутри протогалактик развивалась дальнейшая неуравновешенность массы, связанная с хаотическим движением атомов. В конце концов протогалактики разбились на миллиарды меньших облаков, между которыми пролегло практически пустое пространство. Подобно тому как протогалактики вращаются относительно друг друга, входящие в них мелкие облака тоже вращаются относительно друг друга. (Примечательно, что вращение происходит в разных направлениях и если все эти вращения сложить, то общее вращение для всей Вселенной оказалось бы равным нулю.)
Каждое газовое облако имеет собственное гравитационное поле. Очень плотное газовое облако должно иметь гравитационное поле достаточно сильное, чтобы заставить облако начать сжиматься. Если газовое облако начинает сжиматься, то его плотность увеличится; вместе с тем увеличится и интенсивность собственного гравитационного поля. Соответственно увеличится и сила воздействия, оказываемая этим усиливающимся полем на сжатие. Другими словами, начав сжиматься, газовое облако продолжает сжиматься все быстрее и быстрее.
По мере сжатия растут давление и температура в его центре. Наступает момент, когда температура и давление, неуклонно повышаясь, достигают точки, при которой возникает ядерный синтез. Температура стремительно идет вверх, и раскаленное облако начинает светиться. Теперь это уже не газовое облако. Перед нами звезда.
Звезды возникали во всех протогалактиках, и, когда Вселенной было около миллиарда лет, протогалактики газовых облаков стали галактиками сияющих звезд. Одна из них – наша Галактика.
Сложившиеся галактики состояли исключительно из водорода и гелия (в основном из водорода). Образовавшиеся в них звезды, также имеющие водородно-гелиевое строение, назвали «звездами первого поколения».
Если бы все газовые облака конденсировались в звезды первого поколения, то это бы означало, что процесс эволюции кончился раз и навсегда. Ведь звезды первого поколения относительно малы и спокойны и могут оставаться в главной последовательности 14 млрд. лет (т. е. они существуют еще и поныне). Их возможный коллапс пройдет довольно спокойно, и они перейдут в разряд белых карликов.
Есть галактики, которые содержат очень мало газопылевых облаков и в которых практически все звезды – звезды первого поколения. В этих галактиках распределение газовых облаков в протогалактический период было, по-видимому, весьма равномерным, а сами облака были относительно равновелики.
