Текст книги "От чёрных облаков к чёрным дырам"

Автор книги: Джаиант Нарликар

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 10 страниц)

Глава 8 КОГДА ЗВЁЗДЫ ВЗРЫВАЮТСЯ

Пользуясь открытыми в земных лабораториях физическими законами, мы сумели представить себе, как и почему светят звёзды, почему они меняют внешний вид, смещаясь с главной последовательности в область красных гигантов, и как меняется их внутренний состав. Но на этом история не кончается, так как звезда, ставшая красным гигантом, стоит на пороге весьма драматических событий. Прежде чем описать эти события, обратимся к легендам трёх континентов, содержащих фактическое описание наиболее катастрофической стадии жизни звезды. ЛЕГЕНДА О ЗВЕЗДЕ-«ГОСТЬЕ»

Девять веков тому назад астрономы Китая и Японии считали своим долгом скрупулёзно записывать все, что происходит с небесными телами. При этом они преследовали в основном астрологические цели, так как считалось общепризнанным, что если правитель страны сойдёт с пути добродетели и станет плохо себя вести, он будет наказан Богом и в качестве предупреждения в небе должны возникать необычные явления. Таким образом, в обязанности придворных астрономов входило внимательное наблюдение за небесами и доклад о всём необычном.

Наряду с хорошо отлаженными движениями звёзд и не столь регулярными, но все же предсказуемыми, движениями планет, возникали и необычные явления, включавшие затмения Солнца и Луны, падение метеоритов или визиты комет. Но астрономы династии Сун совершенно не были готовы к тому, что они увидели 4 июля 1054 г. (по современному календарю!). Их запись гласит: «В день Чи Чоу на пятом месяце первого года правления Чи Хо в нескольких дюймах к юго-востоку от Тхьен Каун появилась звезда-«гостья». Когда прошло больше года, она угасла».

Появление новой звезды не могло остаться незамеченным, особенно тогда, когда она была настолько яркой, что её можно было видеть днём (яркость звезды была примерно в 5 раз большей, чем у Венеры на утренней заре или вечером!). Но звезда недолго сияла так ярко и постепенно начала угасать. Через два года её уже не было видно невооружённым глазом. Тем не менее удалось зафиксировать место, этой звезды на небе по отношению к остальным звёздам. Китайские и японские записи о положении «в нескольких дюймах к юго-востоку от Тхьен Каун» подразумевают звезду Дзета в созвездии Тельца. Так как звезда лишь временно появилась на небе, её назвали «гостьей».

Где же ещё в мире люди заметили этот необычный объект? Его должны были видеть в Индии, Европе, на Среднем Востоке, а также на Американском континенте. К сожалению, мы не располагаем подробными записями. Июль – месяц сильных дождей в Индии, и небо часто закрыто тучами. Европейские учёные, руководствовавшиеся христианской догмой о том, что Господь создал Вселенную сразу во всем её совершенстве, с трудом могли уложить это видение в рамки теологической схемы и, скорее всего, просто предпочли его не замечать.

Американские индейцы оставили записи о событии. Они были обнаружены Биллом Миллером и обсуждались в печати в 1955 г. Записи относятся к двум типам, показанным на рис. 51. Пиктография, показанная слева, это изображение, сделанное на скале с помощью краски или мела (или материала, похожего на мел). Справа показан петроглиф, представляющий собой рисунок, выцарапанный на скале острым предметом. Серп на этих рисунках, конечно, является Луной. Но что означает круглое изображение?

Рис. 51. Фрагменты наскальных рисунков индейцев в каньонах Навахо (слева) и Уайт Меза (справа)

Хотя рисунки не удаётся датировать, имеется хорошее косвенное свидетельство того, что круглый объект является звездой-«гостьей». Действительно, в момент первого сообщения о появлении звезды в Китае и Японии Луна имела вид полумесяца. Более того, звезда должна была быть близка к Луне, как и показано на рисунках. Далее, наскальная резьба и рисунки были найдены в таких местах, из которых ясно, виден восточный горизонт или его можно без труда увидеть. Это обстоятельство становится существенным, если заметить, что описываемое событие можно было видеть именно в восточной части неба.

В 1978 г. Кеннет Брехер, Элинор Либер и Альфред Либер обнаружили свидетельство того, что событие было видно и зафиксировано и на Среднем Востоке. Христианский врач Ибн Буттан из Багдада, живший в Каире до конца 1052 или начала 1053 г., а затем перебравшийся в Константинополь, записал, что в созвездии Близнецов где-то между 12 апреля 1054 г. и 1 апреля 1055 г. была видна необычная звезда. Когда была сделана поправка на изменение направления полярной оси Земли за последние девять столетий, оказалось, что это положение в созвездии Близнецов соответствует современному положению звезды-«гостьи» в созвездии Тельца ⁹⁴¹

⁹⁴¹ Полярная ось Земли, идущая с севера на юг, не является неподвижной в пространстве, а описывает конус с периодом около 26000 лет. Это движение полярной оси очень похоже на прецессию оси волчка. В результате общий вид ночного неба по отношению к Солнцу медленно меняется со временем.

Рис. 52. Крабовидная туманность в созвездии Тельца являющаяся остатком небольшого взрыва

Как так – современному? Да! Если невооружённым глазом посмотреть в том направлении, где, по мнению древних, была видна необычная звезда-«гостья», то мы не увидим ничего, но фотографии, сделанные с помощью телескопа, показывают необычайную, драматическую картину. Объект, который виден сейчас, известен под названием Крабовидной туманности (рис. 52), и считается, что это тот самый объект, который был виден в июле 1054 г. при ярком дневном свете, но с одной разницей! То, что сегодня видно в этой туманности, есть остаток взрыва, который видели 4 июля 1054 г. и в котором звезда потеряла большую часть внешней оболочки. Такие взрывающиеся звёзды получили название сверхновых. СВЕРХНОВЫЕ ЗВЁЗДЫ

При каких условиях звезда становится сверхновой? Эта стадия в жизни звезды достигается тогда, когда подходят к концу процессы термоядерного синтеза, т.е. когда в её сердцевине возникнут ядра группы железа. Именно до этой стадии мы довели наш рассказ в конце гл. 7. Сама звезда при этом приняла вид красного гиганта. Теперь что-то должно нарушить равновесие звезды и привести к её взрыву.

После образования ядер группы железа процесс термоядерного синтеза останавливается и ядро звезды начинает сжиматься. Это уже случалось со звездой несколько раз в её прошлом; соответственно, когда она истощала свои запасы водорода, гелия, углерода и т.п. Но в этих случаях одно топливо сменялось другим и процесс синтеза мог как-то продолжаться. Теперь ситуация иная. Топливо для термоядерного синтеза полностью исчерпано.

Таким образом, хотя ядро сжимается и нагревается, при этом не поджигается новая термоядерная реакция. Происходит, скорее, обратное. Ядра группы железа разбиваются на α-частицы, что приводит к потере анергии в сердцевине звезды. Это влечёт за собой срыв оболочки.

Процесс, благодаря которому это происходит, чем-то напоминает надувание мяча насосом. Чтобы заполнить мяч воздухом, мы выдвигаем цилиндр насоса, а затем вдвигаем его. Воздух, накопившийся между цилиндром и отверстием мяча, под большим давлением входит внутрь и раздувает мяч. Аналогично сердцевина звезды сначала сжимается под действием сил тяготения, а затем раздувается. При этом она оказывает чудовищное давление на внешнюю оболочку звезды.

Почему же раздувается сердцевина звезды? Мы вернёмся к этому вопросу в гл. 9, где будет рассмотрена судьба сердцевины. Пока что предположим, что сердцевина раздувается потому, что встречает глубоко внутри сильное сопротивление, которое не только приостанавливает падение внутрь внешних частей сердцевины, но и отбрасывает их назад.

Внезапное обращение скорости движения сердцевины от направления к центру на направление от центра происходит совершенно неожиданно для внешней оболочки. То, что при этом возникает, называется на специальном жаргоне ударной волной.

Обычная звуковая волна, распространяющаяся в воздухе или воде, производит изменения в давлении и температуре среды, но они малы и непрерывны. Это означает, что различия в соседних точках незначительны и не меняют резко общее распределение давления в окружающей среде. Но в ударной волне это не так! Такая волна возникает, если происходят внезапные, большие и разрывные изменения температуры и давления в соседних точках, как это случается при взрыве. Это резкое изменение быстро передаётся наружу через всю звезду и порождает два явления.

Одно из них заключается во внезапном нагреве некоторых внешних частей звезды. Вспоминая луковичную структуру звезды (см. рис. 49), можно заметить, что в ней есть оболочки, состоящие из более лёгких элементов вроде кислорода или кремния. Эти оболочки внезапно нагреваются до температур порядка 4 млрд. градусов, когда ударная волна проходит через них. И хотя такой нагрев длится необычайно короткое время, всего не более чем несколько десятых долей секунды, он успевает включить цепную реакцию термоядерного синтеза. Этот синтез имеет характер взрыва, хотя он и не приводит к большим изменениям в составе звезды. Тем не менее, как будет видно в конце главы, такой взрыв оказывает весьма драматическое и длительное влияние на окружающую среду.

Второе явление, связанное с ударной волной, заключается в том, что в веществе, входящем в оболочку звезды, возникают большие направленные от центра скорости. Эти скорости так велики, что оболочка (до тех пор объединённая с центральным ядром звезды силами взаимного притяжения) просто отрывается. Для звезды наступает момент истины.

Внезапное освобождение и сброс оболочки и есть то явление, которое известно как взрыв сверхновой. На начальных стадиях взрыва звезда высвобождает за короткое время столь огромное количество энергии, что в эти краткие мгновения славы (перед смертью!) она своим светом затмевает свет целой Галактики, состоящей из сотен миллиардов спокойно светящих звёзд. Неудивительно, что 4 июля 1054 г. такой взрыв был виден на Земле даже днём.

На рис. 53 показано, как интенсивность света резко возрастает, а затем спадает в течение одного-двух лет после взрыва. Наряду со сверхновой (1054 г.) в Крабовидной туманности в нашей Галактике наблюдались ещё две сверхновые: одна в 1572 г. Тихо Браге, а другая – Иоганном Кеплером в 1694 г. За последнее время наблюдались и другие сверхновые, но не в нашей Галактике, хотя, по оценкам, в Галактике каждые сто лет должны происходить от 2 до 3 взрывов сверхновых. Не все эти сверхновые видны – их видимый свет сильно поглощается встречающейся по дороге межзвёздной пылью (см. гл. 4).

Рис. 53. Кривая схематически показывает, каким образом интенсивность света (логарифмический масштаб) быстро возрастает на ранних стадиях существования сверхновой, а затем медленно убывает

Взрывающиеся звёзды, не только излучают огромное количество света, они также выбрасывают наружу частицы вещества очень большой энергии. Этими частицами являются электроны, нейтрино и ядра атомов, образованных в глубинах звезды. В результате окружающее звезду пространство заполняется этими выбросами от сверхновой. Обнаруживаемые во Вселенной тяжёлые ядра на самом деле родились в горячих сердцевинах звёзд и были выброшены наружу при звёздных взрывах⁹⁷¹. Таким образом, то вещество, из которого сделана Земля и, естественно, то, из чего сделаны мы сами!), имеет поистине бурную историю.

971 Звёзды более позднего поколения, образованные из вещества, содержащего выбросы сверхновых, с самого начала имеют в своём составе тяжёлые ядра. Как описано в гл. 7, эти ядра способствовали началу CNO-цикла в более массивных звёздах.

Считается, что сверхновые являются источниками частиц больших энергий, приходящих в атмосферу Земли из космического пространства. Известные под названием космического излучения, эти потоки частиц регистрируются либо поднятыми на воздушных зондах приборами, либо детекторами, установленными на. Земле. Вдобавок к видимому, свету и космическому излучению сверхновая может испускать электромагнитное излучение. Очевидно, что если бы звезда превратилась в сверхновую на расстоянии, скажем, тридцать световых лет от нас, её излучение уничтожило бы жизнь на Земле. (Крабовидная туманность находится на безопасном расстоянии 6 000 световых лет.)

Можно ли знать заранее, собирается ли звезда взорваться? Пока что нет, но будущее развитие технологии может сделать это возможным. Расчёты показывают, что когда звезда приближается к моменту взрыва, необычайно резко нарастает образование нейтрино внутри звезды. Эти нейтрино легко выходят из звезды и движутся со скоростью света. Поэтому, если удастся построите чувствительные детекторы нейтрино, они смогут подать сигнал тревоги в тот момент, когда красный гигант соберётся стать сверхновой. К сожалению, нейтрино очень слабо взаимодействуют с остальным веществом и их необычайно трудно детектировать.

Отнюдь не каждой звезде уготована столь болезненная судьба. Точно так же, как доктора советуют людям не приобретать лишнего веса, чтобы прожить здоровую жизнь, это же можно «посоветовать» и звёздам! Расчёты звёздной структуры показывают, что только очень массивные звёзды с массой, приблизительно в 6 раз большей массы Солнца, становятся сверхновыми. Менее массивные звёзды также испытывают взрывы, но более слабые. Вещество из оболочки выбрасывается в таких взрывах короткими порциями, и звезда постепенно теряет массу. Эти порции вещества выглядят как дымовые кольца, испущенные звездой-«родителем», и называются поэтому планетарными туманностями. На рис. 54 показан пример планетарной туманности, возникшей в результате таких небольших по масштабу взрывов.

Рис. 54. Показанная здесь планетарная туманность возникла в результате выброса газообразного вещества звездой малой массы в сравнительно слабом взрыве

До сих пор мы сосредоточивали внимание на более эффектной судьбе, ожидающей внешние части взорвавшейся звезды. Но взорвётся ли звезда полностью, или какая-то часть сердцевины останется в целости? Хотя совершенно точный ответ на этот вопрос неизвестен, общепринято полагать, что какая-то часть ядра звезды переживает катастрофу. Что же будут собой представлять эти остатки звёздного взрыва? Ответ мы дадим в гл. 9.

Прежде чем закончить обсуждение взрывающихся звёзд, обратимся к недавно полученным свидетельствам того, что даже такие катастрофические события должны играть конструктивную роль в общей эволюции. СНОВА О РОЖДЕНИИ ЗВЕЗД

В гл. 5 обсуждались современные идеи, касающиеся рождения звёзд и происхождения планетных систем. Мы можем теперь ответить на первый вопрос, сформулированный в конце этой главы. Дело в том, что образование новых звёзд из межзвёздных облаков может сопровождаться или даже вызываться взрывом близлежащей сверхновой. Опишем два типа свидетельств, подтверждающих эту идею.

Первое свидетельство принёс с собой метеорит, упавший в 1969 г. в мексиканской деревне Пуэблито де Алленде и получивший название метеорита из Алленде. В нём обнаружились некоторые особенности в ядерном составе. Известные под названием изотопических аномалий эти особенности дают ключ к пониманию происхождения нашей Солнечной системы.

Изотоп данного элемента содержит ядро с тем же числом протонов, но с иным числом нейтронов. Например, алюминий, из которого сделаны наши кастрюльки и сковородки, является стабильным элементом, в ядре которого имеется 13 протонов и 14 нейтронов. Символ этого элемента ²⁷Al. У него есть нестабильный изотоп ²⁶Al, содержащий в ядре 13 протонов и 13 нейтронов. Поскольку химические свойства элемента определяются числом заряженных частиц в его ядре, ²⁷Al и ²⁶Al будут иметь одинаковые химические свойства. Но их ядерные свойства различны.

Нестабильный ²⁶А1 радиоактивен, и его период полураспада равен 720 000 лет. Это означает, что если мы запасём 100 ядер ²⁶А1, то в среднем половина из них распадётся за это время. Главным продуктом распада является изотоп элемента магния. Процесс распада можно записать в виде

²⁶Al → ²⁶Mg + e⁺ + ν.

Ядро магния содержит 12 протонов и 14 нейтронов. Таким образом, один из протонов в первоначальном ядре превращается в нейтрон. Кроме того, образуются позитрон и нейтрино.

Метеорит из Алленде, как выяснилось, содержит некоторые изотопы в пропорциях, сильно отличающихся от тех, которые обычно обнаруживаются в разных составных частях Солнечной системы. Эти отличия в распространённости и получили название изотопических аномалий. Среди прочего была обнаружена аномально большая доля ²⁶Mg. Как это могло случиться?

Как вопрос, так и ответ на него можно лучше понять с помощью аналогии. Предположим, что какая-то страна установила законы о контроле над золотом, согласно которым гражданам не разрешается иметь в своём владении чистое золото в количестве, превышающем некоторую квоту. Если окажется, что при выборочной проверке какой-то части населения у одного человека найдут золота больше, чем разрешено, то возникает вопрос, где он добыл так много золота? Расследование может в конце концов привести к открытию, что он вывез это золото из другой страны, где оно легкодоступно. Вопрос, заданный астрофизиками по поводу метеорита из Алленде, звучал похоже: где и каким образом этот метеорит сумел создать большие запасы магния? Описанные ниже исследования, посвящённые этому вопросу, не менее увлекательны, чем поиск тайных путей контрабанды.

Существует много процессов, в которых в принципе может образовываться лишний ²⁶Mg. Но ключ к правильному ответу был получен тогда, когда внимательно проанализировали минеральный состав метеорита. Обнаружилось, что распространённость ²⁶Mg скоррелирована с распространённостью ²⁷Аl, так что возникает некоторая связь между магнием и алюминием. Как мы только что видели, эта связь устанавливается через ²⁶Аl, который распадается на ²⁶Mg.

Так пришли к заключению, что либо ²⁶Аl как-то попал в вещество метеорита и затем распался там примерно за 720 000 лет, либо метеорит образовался из вещества межзвёздной среды, уже содержавшего ²⁶Mg, получившийся от распада присутствовавшего в среде ²⁶Аl. Последний сценарий выглядит более приемлемым, так как предполагает, что метеорит должен был образоваться вскоре после обогащения межзвёздной среды ²⁶Аl; в противном случае постоянное размешивание среды космическими процессами устранило бы все признаки любого давнего обогащения. Отсюда вывод, что образование метеорита имело место вскоре после попадания и последующего распада ²⁶Аl в межзвёздной среде. Какой же космический процесс мог внести этот изотоп алюминия в межзвёздное пространство?

Именно здесь на сцену выступает сверхновая: Заметим прежде всего, что описанная в гл. 7 а-цепочка увеличивает число частиц в ядре на 4. Так получаются ¹²С, ¹⁶O, ²⁰Ne, ²⁴Mg и т.д. В эту последовательность не входит ²⁶Аl. Но он может образоваться в течение взрывной фазы нуклеосинтеза в сверхновой, о которой шла речь выше. В этой фазе к имеющимся ядрам могут добавляться свободные нейтроны (n) и протоны (p) с образованием ядер, не входящих в α-цепочку. Так, ²⁶Аl получается из ²⁴Mg в результате последовательности приведённых ниже реакций:

²⁴Mg + n → ²⁵Mg,

²⁵Mg + n → ²⁶Mg,

²⁶Mg + p → ²⁶Al + n.

Есть и другие пути образования ²⁶Аl на этой стадии существования сверхновой. Выбросы после взрыва вполне могут загрязнить окружающее межзвёздное пространство.

Таким образом, изотопические аномалии метеорита из Алленде (подобные обсуждавшемуся избытку ²⁶Mg) и ряд других указывают, что они возникли, так как в окрестности того газового облака, из которого образовалась Солнечная система, пролетела сверхновая. При этом появление сверхновой не могло быть удалено слишком далеко по времени от начала образования Солнечной системы. Например, если разрыв во времени между взрывом сверхновой и образованием Солнечной системы составлял, скажем, миллион лет или больше, то все следы загрязнения, связанные со сверхновой, были бы стёрты.

Итак, свидетельство, которое принёс нам метеорит из Алленде, позволяет установить связь между происхождением нашей Солнечной системы и сравнительно недавним взрывом сверхновой. Вполне возможно, конечно, что присутствие сверхновой поблизости от Солнечной системы было совершенно случайным, так же как и совпадение времени её взрыва с моментом, предшествующим началу образования Солнечной системы. Однако поскольку сверхновые все-таки довольно редки, во всем этом должно быть больше смысла, чем кажется на первый взгляд. Действительно, существует физический довод, согласно которому взрыв сверхновой запускает в действие механизм образования звёзд в её окрестности. Коротко обсудим этот довод, прежде чем переходить к другим свидетельствам.

Напомним, что взрыв звезды вызван гигантской ударной волной, родившейся в сердцевине звезды и идущей наружу. Волна не задерживается на поверхности звезды и продолжает свой путь. При удалении от центра взрыва интенсивность ударной волны, естественно, уменьшается. Но в ближайшей окрестности звезды она может быть ещё очень большой. Такая волна, налетая на поблизости расположенное межзвёздное облако, может сообщить ему сильный толчок. Именно этого толчка нам не хватало, чтобы началось сжатие облака, так что предлагаемый механизм разрешает отмеченную в конце гл. 5 трудность, а именно: как начинается сжатие большого разреженного облака? Внешнее давление от ударной волны разрушает баланс всех сил, действующих в облаке газа, в пользу сжатия. Есть ли у нас какие-нибудь свидетельства существования таких ударных волн в окрестности молодых, только образующихся звёзд? Да! Такое свидетельство было получено в 1977 г. двумя астрономами, Хербстом и Ассуза.

Хербсти Ассуза исследовали окрестность астрономического объекта, называемого Большой Пёс R—1. Это остаток сверхновой типа Крабовидной туманности на рис. 52. Как и в Крабе, есть указания на движение газовых частиц наружу, что подтверждает факт взрыва. Оценки показывают, что взрыв имел место за 800 000 лет до момента, наблюдаемого сейчас в Большом Псе R—1. Более интересно то, что не слишком далеко от остатков сверхновой наблюдались новые, ещё не попавшие на главную последовательность звёзды. Считается, что эти звёзды, чей возраст оценивается всего лишь примерно в 300 000 лет, вероятно, самые молодые из всех известных астрономам.

Очевидно, что эти звёзды образовались после взрыва. Насколько силён был взрыв? Если мы попытаемся сделать пересчёт от современных наблюдений разлетающегося газа, то для выделившейся при взрыве энергии получим 10⁴⁴ Дж. Для сравнения, Солнцу, мощность которого составляет 4 • 10²⁶ Вт, потребовалось бы 8 миллиардов лет, чтобы излучить такое количество энергии. Какой бы фантастичной не казалась эта цифра по отношению к обычным звёздам, она характеризует энергию взрыва сверхновой.

А есть ли какие-то свидетельства взрыва звезды, скажем, в виде неразорвавшегося остатка, т.е. внутреннего ядра? Действительно, звезда видна, но не внутри остатка сверхновой, а снаружи. При этом оказывается, что звезда улетает от остатка сверхновой с необычно большой скоростью. Может ли это быть той звездой, чья внешняя оболочка сброшена в результате взрыва сверхновой? Возможное объяснение такому ходу событий даёт аналогия с выстрелом из ружья. Точно так же, как ружьё испытывает отдачу при выстреле, так и упомянутая звезда после сбрасывания оболочки получила отдачу в противоположном направлении. На рис. 55 показано, каким образом возникает большая скорость отдачи при взрыве асимметричной продолговатой оболочки. Измеренная скорость звезды укладывается в рамки гипотезы отдачи.

Рис. 55. В результате несимметричного взрыва сверхновой (а) оболочка может оказаться вдали от уцелевшего ядра, которое за счёт эффекта отдачи приобретает большую скорость (б)

Итак, есть убедительные доказательства связи образования новых звёзд с предшествующим взрывом сверхновой, это придаёт дополнительную силу гипотезе, что образование звёзд в ГМО вызывается взрывами звёзд предыдущего поколения. Таким образом; наша история жизни звезды совершила полный круг, связав разрушение одной звезды с рождением другой!

Но кое-что может случиться в жизни звезды даже после её кажущегося разрушения во взрыве сверхновой.