Текст книги "Звезды: их рождение, жизнь и смерть"

Автор книги: Иосиф Шкловский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 31 страниц)

Сразу же после открытия этого рентгеновского источника возникла проблема: а что представляет собой этот источник? Можно было ожидать, что излучает сама Крабовидная туманность, т. е. объект, имеющий хотя и небольшие, но вполне определенные угловые размеры порядка 5 минут дуги. Но, с другой стороны, нельзя было исключить и возможность того, что источником рентгеновского излучения является звезда, некогда взорвавшаяся как сверхновая. В таком случае угловые размеры рентгеновского источника были бы ничтожно малы, т. е. он оказался бы «точечным». Разрешающая способность рентгеновской астрономии, в данном случае – способность отличить «точечный» источник от малого, но протяженного объекта, 10 лет назад была весьма низка. Счастливое обстоятельство помогло, однако, астрономам быстро решить эту проблему. Мы уже говорили выше о том, что при исследовании распределения радиояркости Крабовидной туманности весьма эффективным оказался метод анализа радиоизлучения во время ее покрытия Луной. Аналогичный метод вполне приложим к анализу рентгеновского излучения Крабовидной туманностью. Нужно в подходящий момент во время покрытия Луной туманности запустить ракету, на которой должен находиться детектор, ориентированный на Краб. При этом должен непрерывно регистрироваться уровень рентгеновского излучения от туманности. Если источник рентгеновского излучения точечный, то в момент его покрытия краем Луны поток резко упадет до нуля. Если источник протяженный, то поток рентгеновского излучения по мере нахождения края Луны на источник будет постепенно уменьшаться.

Рис. 17.11: Результаты рентгеновских наблюдений во время покрытий Луной Крабовидной туманности. Вверху – зависимость скорости счета рентгеновских квантов от времени.

Такой опыт по нашему предложению был осуществлен Фридманом 7 июля 1964 г. Луна закрывала туманность со скоростью около 0,5 за минуту времени. Максимальные угловые размеры Крабовидной туманности 6, следовательно, полная длительность покрытия около 12 минут. Ракета могла находиться на высоте свыше 100 км (где только и можно принимать космическое рентгеновское излучение) всего лишь около 5 минут. По этой причине программа наблюдений была построена так, чтобы можно было наблюдать только центральную часть Крабовидной туманности размером в 2. Результаты этих наблюдений представлены на рис. 17.11, где приведена зависимость показаний детектора от времени при покрытии Крабовидной туманности Луной. Из приведенной на этом рисунке кривой сразу же видно, что источник рентгеновского излучения является протяженным, так как показания детектора убывают по мере закрытия туманности Луной постепенно. На рис. 17.11 (внизу) восстановлено полученное из показаний детектора распределение яркости источника рентгеновского излучения в Крабовидной туманности. Угловые размеры его порядка 1, т. е. значительно меньше размеров туманности в оптических лучах.

В дальнейшем было выполнено много наблюдений рентгеновского излучения Крабовидной туманности в разных спектральных диапазонах. При помощи аппаратуры, установленной на баллонах (воздушных шарах), удалось проследить жесткий спектр Крабовидной туманности вплоть до гамма-диапазона, т. е. вплоть до энергий квантов в сотни миллионов электронвольт[ 40 ] 40
  Наблюдаются и кванты с энергией 10 ¹¹ —10 ¹² эВ по вызываемым ими вспышкам черенковского излучения в земной атмосфере (см. § 20).


[Закрыть]. Напомним, что энергия квантов оптического диапазона составляет 2—3 эВ, а кванты радиодиапазона имеют энергию еще в сотни тысяч и миллионы раз меньшую. Таким образом, отношение энергий квантов крайних областей всего диапазона электромагнитных волн, принимаемого от Крабовидной туманности, составляет 10¹⁴, или сотни тысяч миллиардов. Ни один другой космический объект (включая чрезвычайно близкое к нам и потому очень яркое Солнце) не исследован в таком широком диапазоне спектра. На примере этой туманности мы можем увидеть всеволновой характер современной астрономии. Пока в спектре Крабовидной туманности остаются два «белых пятна»: а) далекая инфракрасная область, б) ультрафиолетовая область. Эти спектральные участки чрезвычайно трудны для наблюдений. Ультрафиолетовое излучение, например, сильно поглощается межзвездной средой. Тем не менее электромагнитный спектр туманности вырисовывается со всей определенностью. Он представлен на рис. 17.12, где по оси абсцисс нанесены частоты излучения (пропорциональные энергиям квантов), а по оси ординат – спектральная плотность потока.

Рис. 17.12: Синхротронный спектр Крабовидной туманности.Синхротронный спектр Крабовидной туманности.

Рис. 17.13: Схема планковского спектра.

Прежде всего видно, что спектр этот совершенно не похож на спектр теплового источника излучения любой, в частности, сколь угодно высокой температуры. Последний описывается известной формулой Планка. Качественно такой спектр представлен на рис. 17.13. Спектр Крабовидной туманности хорошо описывается степенным законом F^-. Вплоть до далекой инфракрасной области спектральный индекс ,3, т. е. очень мал. Где-то у частот 10¹³—10¹⁴ Гц (длины волн 10—30 мкм) происходит «перелом» спектра. Начиная с частоты 10¹⁴ Гц и вплоть до огромных частот гамма-диапазона 10²⁴ Гц, спектральный индекс имеет постоянное значение, близкое к 1. Такой спектр однозначно доказывает синхротронную природу всего электромагнитного излучения «Краба». Прямым доказательством этого утверждения является измеренная в 1975 г. поляризация рентгеновского излучения Крабовидной туманности. Если ответственными за метровое радиоизлучение Крабовидной туманности являются релятивистские электроны с энергиями порядка сотен миллионов электронвольт, а за оптическое излучение – с энергиями 10¹¹ эВ, то гамма-излучение вызывается движениями электронов с энергией до 10¹⁵ эВ. Все эти релятивистские электроны движутся в довольно регулярном магнитном поле этой туманности, структура которого изображена на рис. 17.9, а среднее значение напряженности близко к 10^-3 Э. Мощность синхротронного излучения релятивистских электронов пропорциональна квадрату их энергии. С другой стороны, это излучение генерируется за счет энергии релятивистских электронов. По этой причине «время жизни» таких электронов (определяемых как время, в течение которого они потеряют из-за синхротронного излучения существенную часть своей первоначальной энергии) обратно пропорционально их энергии:

(17.1)

где H – напряженность магнитного поля, E – энергия, выраженная в миллиардах электронвольт, a t выражается в годах. Из этой формулы следует один очень важный вывод: время жизни электронов с энергией, большей чем 10¹¹ эВ, меньше 1000 лет, т. е. возраста Крабовидной туманности. Это означает, что если бы там не было непрерывного «возобновления запаса» релятивистских электронов высокой энергии, оптическое излучение «затухло» бы через сто лет. Но это заведомо не так! Со времен Мессье, наблюдавшего эту туманность в XVIII веке, яркость «Краба» почти не изменилась. Следовательно,. в этой туманности непрерывно действует некоторый механизм «накачки» «свежих» релятивистских электронов очень высоких энергий. Что же это за механизм, какова его природа? Эта проблема встала перед астрофизикой свыше 30 лет назад. Решение ее было получено в 1968 г., когда в центре Крабовидной туманности был обнаружен пульсар (см. § 19).

Характерный излом спектра Крабовидной туманности у ₁10¹³ Гц объясняется как раз потерями энергии релятивистскими электронами из-за синхротронного излучения. Частота ₁ определяется тем, что релятивистские электроны, излучающие на более низких частотах, «живут» в Крабовидной туманности без заметных потерь энергии больше времени, чем существует сама туманность, в то время как более высокие частоты излучаются более энергичными электронами, время жизни которых сравнительно невелико. Если бы не существовало непрерывной «накачки» таких электронов в туманность, их бы там не было совсем. На основании теории, зная частоту перелома синхротронного спектра ₁ и время жизни туманности t₁, можно поэтому найти напряженность существующего там магнитного поля, которое как бы непрерывно «перерабатывает» этот спектр. Формула для величины поля имеет простой вид:

(17.2)

где t₁1000 лет – возраст туманности. Из этой формулы следует, что при ₁10¹³ с^-1H5 10^-4 Э, т. е. очень близко к принятому выше значению. Заметим, что величина H очень слабо зависит от частоты перелома синхротронного спектра «Краба», которая определяется неуверенно, путем экстраполяции. Ведь прямых измерений потока излучения от туманности в далекой инфракрасной части спектра пока нет. Релятивистские электроны очень высоких энергий ( 10^-14 эВ), ответственные за рентгеновское излучение Краба, будут из-за очень больших потерь на излучение «жить» совсем мало – всего лишь несколько месяцев. Этим, по-видимому, объясняется сравнительно малая протяженность рентгеновского источника центральной части туманности. Поступающие в Крабовидную туманность такие электроны просто не успевают попасть на периферию, так как для этого нужно несколько лет.

Релятивистские частицы, движущиеся вдоль сложных, замкнутых петель магнитного поля Крабовидной туманности, как бы «заперты» в ней. Если их будет достаточно много, они будут «распирать», деформировать петли магнитного поля, стремясь их раздвинуть. Но магнитное поле и само по себе стремится «расползтись» на возможно больший объем. Этой тенденции мешает то обстоятельство, что силовые линии поля как бы «привязаны» к газовым волокнам туманности, которые поэтому удерживают поле и движущиеся в нем релятивистские частицы от неограниченного и притом довольно быстрого расширения. Но тем самым мы с неизбежностью приходим к выводу, что на систему газовых волокон должна непрерывно действовать сила давления магнитного поля и находящихся там релятивистских частиц. Эта сила и должна привести к ускоренному движению волокон туманности, что и наблюдается (см. выше). Величину этого ускорения можно получить из несовпадения возраста Крабовидной туманности (930 лет) и полученного из расширения волокон момента времени, когда вся туманность была как бы в точке, что должно было быть (считая скорость расширений постоянной) около 800 лет назад. Отсюда величина ускорения получается равной g = 0,0016 см/с². Зная величину силы давления магнитного поля и релятивистских частиц и сообщаемой этой силой ускорение, можно по простой формуле механики найти массу волокон Крабовидной туманности M:

(17.3)

где R – характерный линейный размер туманности (около одного парсека), а давление космических лучей P_p близко к H²/8, причем H следует брать на периферии туманности. Можно оценить, что там H3 10^-4 Э. Отсюда следует, что масса волокон M5 10³² г или 0,25 массы Солнца. Эта оценка включает в себя и массу слабых волокон, которые не наблюдаются. Полученная оценка массы достаточно близка к «лобовой» оценке, основанной на плотности газовых волокон в туманности и их суммарном объеме[ 41 ] 41
  Теорию векового ускорения волокон Крабовидной туманности предложил в 1954 г. выдающийся советский астроном С. Б. Пикельнер.


[Закрыть].

Как подчеркивалось выше, для обеспечения оптического, а тем более рентгеновского излучения Крабовидной туманности в течение столетий необходимо непрерывное «впрыскивание» новых порций релятивистских электронов. Естественно было предположить, что, кроме таких электронов, в туманность должны «впрыскиваться» и релятивистские тяжелые ядра – протоны, альфа-частицы и пр., короче говоря, космические лучи. В отличие от электронов, тяжелые релятивистские частицы не будут терять энергию на синхротронное излучение. Если бы их поступало в туманность не меньше, чем релятивистских электронов, их бы накопилось там столько, что давление на газовые волокна было бы весьма значительным, и, следовательно, ускорение этих волокон должно было быть гораздо больше наблюдаемого. Отсюда можно сделать вывод, что источник пополнения Крабовидной туманности релятивистскими частицами поставляет в нее преимущественно электроны и позитроны. Как впоследствии выяснилось, это связано с наличием в центре Краба весьма активного пульсара (см. ниже).

Другие остатки исторических сверхновых, вспыхнувших в Галактике в 1006, 1181, 1572 и 1604 гг., не дают такое количество информации, как Крабовидная туманность. Это нельзя объяснить только тем, что они более удалены от нас. Просто Крабовидная туманность оказалась гораздо более «богатым» и более интересным объектом. Все же мы кратко остановимся на описании остатков вспышек этих сверхновых.

Нет определенных указаний на существование оптически наблюдаемых остатков вспышки Сверхновой 1006 г. Однако на месте вспышки, в южном созвездии Волка, обнаружен довольно слабый протяженный радиоисточник[ 42 ] 42
  На месте вспышки Сверхновой 1006 г. был обнаружен протяженный источник рентгеновского излучения.


[Закрыть]. Угловые размеры этого источника довольно велики: 25, или в пять раз больше, чем у Крабовидной туманности. Если принять, что Сверхновая 1006 г. имела видимую звездную величину -7,5 (на что указывают старинные арабские и китайские хроники), то, с учетом межзвездного поглощения света, расстояние до вспыхнувшей звезды было около 1000 пс. При таком расстоянии линейный радиус остатка должен быть около 3,5 пс. Зная возраст остатка ( 1000 лет), можно определить среднюю скорость расширяющейся оболочки, которая близка к 4000 км/с. Это гораздо больше, чем у Крабовидной туманности, и соответствует скорости выброса газов у сверхновых I типа, получаемых из ширин линий излучения в их спектрах (см. § 15). Следует иметь в виду, что Сверхновая 1006 г. вспыхнула довольно «высоко» над галактической плоскостью, где плотность межзвездного газа должна быть совершенно незначительна. Недавно с помощью «ультрафиолетового» спутника IUE (см. «Введение») в спектре горячей звезды, на которую проектируется остаток сверхновой 1006 г., были обнаружены широкие насыщенные линии поглощения ионизованного железа. Отсюда следует, что количество железа в этом остатке очень велико. Этот результат имеет исключительное значение для понимания природы сверхновых I типа (см. ниже). Этими скудными сведениями пока исчерпываются наши знания об остатках вспышки Сверхновой 1006 г. На месте Сверхновой 1181 г., наблюдавшейся китайскими и японскими астрономами в созвездии Кассиопеи, находится довольно яркий (следовательно, молодой) радиоисточник 3C 58. Он, так же как и Краб, лишен оболочечной структуры. В оптическом спектре этого источника наблюдаются слабые линии излучения. Из анализа этих линий следует, что радиоисточник 3С 58 расширяется со скоростью 1000 км/с, а расстояние до него 2500 пс.

Гораздо больше мы знаем об остатках вспышки «звезды Тихо» – Сверхновой 1572 г. На месте вспышки этой Сверхновой наблюдаются очень слабые тонковолокнистые «кусочки» туманности. Наблюдения, разделенные промежутком времени порядка 10 лет, показывают некоторые изменения в относительной яркости волокон. Вместе с тем спектральные наблюдения не обнаружили значительных лучевых скоростей. Еще в 1952 г. на месте вспышки был найден источник радиоизлучения. Дальнейшие наблюдения позволили найти его структуру, которая весьма примечательна. В радиолучах этот источник представляет собой яркое, очень тонкое кольцо, диаметр которого 7, а толщина меньше одной сотой радиуса. Расстояние до Сверхновой 1572 г. оценивается (довольно неуверенно) в 5000 пс. Это расстояние, с учетом межзвездного поглощения света, дает для абсолютной звездной величины Сверхновой 1572 г. значение около -18^m, что близко к абсолютной величине сверхновой I типа. На месте Сверхновой 1572 г. обнаружен рентгеновский источник, о котором речь будет идти в § 20.

На месте Сверхновой Кеплера, вспыхнувшей в 1604 г., наблюдается своеобразная, похожая на веер оптическая туманность с яркими конденсациями. Наблюдения, разделенные промежутком времени в 20 лет, указывают на медленное движение ярких деталей этой туманности со скоростью 0,03 секунды дуги в год. Так как расстояние до туманности, полученное таким же образом, как и для Кассиопеи А и Сверхновой 1572 г., около 10 000 пс, то линейная скорость в плоскости, перпендикулярной к лучу зрения, составляет около 1400 км/с, в то время как полученная из спектральных наблюдений лучевая скорость составляет 230 км/с.

На месте Сверхновой 1604 г. уже давно обнаружен довольно яркий источник радиоизлучения с угловым диаметром, около 3, что при расстоянии в 10 000 пс соответствует радиусу около 5 пс. При таком радиусе средняя скорость оболочки составляет около 12 000 км/с – величина примерно такая же, как у Сверхновой 1572 г.

Примечательно, что эта сверхновая вспыхнула на очень большом (около 1500 пс) расстоянии от галактической плоскости, где плотность межзвездного газа весьма мала. Как же тогда объяснить сравнительно низкую скорость разлета волокон газа в этой туманности? Ведь межзвездная среда их затормозить не может. Решение этой трудной проблемы, возможно, связано с предположением, что вокруг взорвавшейся звезды уже была туманность, образовавшаяся из вещества, вытекающего из звезды. Вряд ли, однако, масса этой туманности могла быть слишком большой – ведь взорвалась старая звезда с массой, лишь немного превосходящей солнечную.

В заключение нужно подчеркнуть, что мы слишком мало еще знаем о природе остатков Сверхновых 1006, 1181, 1572, 1604 гг. Похоже, однако, на то, что Сверхновая 1054 г. резко отличалась от них малой скоростью выброшенной оболочки и сравнительно большой ее массой. Это и определило в конечном итоге все своеобразие явлений, которые наблюдаются в Крабовидной туманности. Спецификой Сверхновых 1006, 1572 и 1604 гг. является то, что плотность межзвездной среды вокруг них очень мала. Поэтому их оболочки, почти не испытывая торможения, расширились до значений радиуса 5 пс, что привело к быстрому уменьшению радиосветимости. Через несколько тысяч лет они расширятся настолько, что их поверхностная радиояркость упадет до ненаблюдаемого значения. Наоборот, объекты, о которых речь шла в § 16 (например, IС 443), вспыхнули в сравнительно плотной межзвездной среде, которая, «предохранив» остатки взрыва от слишком быстрого расширения, как бы «законсервировала» их и обеспечила продолжительность жизни в несколько десятков тысяч лет.

Глава 18 Почему взрываются звезды?

До сих пор мы рассматривали только последствия вспышек сверхновых звезд. Взрывы звезд приводят к образованию в высшей степени интересных, отличающихся большим своеобразием туманностей. Эти туманности буквально «начинены» релятивистскими частицами, т. е., проще говоря,– первичными космическими лучами. Последние должны образовываться каким-то образом на самых сравнительно ранних этапах возникновения туманностей – остатков взрыва. Кроме того, как это было показано на примере Крабовидной туманности, «звездный остаток» взрыва продолжает в некоторых случаях мощную генерацию космических лучей, непрерывно «питая» образовавшуюся после взрыва туманность. Пока еще не совсем ясно, в какой степени это явление оказывается универсальным свойством «звездных остатков», хотя имеются достаточно серьезные основания связать его только со сверхновыми II типа.

Взрывы звезд имеют важное значение для физики и динамики межзвездной среды. Это огромное возмущение распространяется вначале с очень большой скоростью, которая постепенно уменьшается. Зона взрыва за несколько десятков тысяч лет распространяется на гигантскую область межзвездной среды, размеры которой исчисляются десятками парсек. В этой зоне физические условия резко отличаются от «невозмущенных». В ней существует весьма горячая плазма, нагретая до температуры в несколько миллионов кельвинов. Плотность космических лучей и напряженность магнитного поля в области, охваченной таким большим возмущением, значительно больше среднего значения, рассеиваясь в окружающей межзвездной среде, такое возмущение «обогащает» ее космическими лучами и вносит изменение в химический состав межзвездного газа.

Мы уже видели в § 16, что химический состав быстро движущихся волокон Кассиопеи А резко отличается от «обычного». Уже один этот наблюдательный факт говорит о том, что взрыв звезды является как бы «плавильным тиглем», в котором осуществляется «варка» сложных ядер. Следовательно, взрывы сверхновых звезд, выражаясь языком металлургов, осуществляют процесс «флотации» (обогащения) межзвездной среды тяжелыми ядрами.

Излишне подчеркивать, к каким необозримой важности последствиям приводит этот неуклонно действующий процесс. Ведь в «юности», еще до того как образовались галактики и звезды, Вселенная представляла собой довольно простую водородно-гелиевую плазму, возможно, с небольшой примесью дейтерия. Тяжелых ядер тогда еще не было. Это нашло свое отражение в химическом составе старейшего поколения звезд – субкарликов (см. § 12). В этой связи следует заметить, что основное обогащение межзвездной среды тяжелыми элементами произошло на самых ранних стадиях образования галактик. Тогда образовалось одновременно с нынешними субкарликами большое количество массивных и сверхмассивных звезд первого поколения, которые после десятка миллионов лет эволюции взрывались как сверхновые. Частота вспышек последних была в десятки раз больше, чем сейчас. По этой причине процесс обогащения межзвездной среды тяжелыми элементами в основном закончился довольно быстро, за «какие-нибудь» несколько сотен миллионов лет самой ранней истории нашей Галактики (а также, конечно, и других галактик)[ 43 ] 43
  Исключение, по-видимому, представляет процесс обогащения железом при вспышках сверхновых I типа (см. ниже).


[Закрыть].

Естественно спросить, а откуда известны эти важные детали «химической истории» нашей звездной системы? Оказывается, что эта летопись записана в метеоритах и земной коре. Тонкий химический анализ позволяет найти отношение концентраций радиоактивных изотопов ²³⁸U (уран-238), ²⁴⁴Рl (плутоний-244), ²³⁵Th (торий-235), а также двух изотопов йода – ¹²⁷I и ¹²⁹I. Так как периоды полураспада у ядер этих изотопов достаточно хорошо известны, то по измеренной относительной концентрации можно получить возрасты ядер. В частности, из измеренного отношения концентрации [Pl]/[U] в образцах метеоритов следует, что эти сверхтяжелые ядра образовались 8,5—10 миллиардов лет назад, причем они образовались за сравнительно короткое время.

Очень интересные результаты получаются из анализа концентрации изотопов йода и находящегося в метеоритах тяжелого инертного газа ксенона, являющегося стабильным продуктом распада радиоактивного изотопа ¹²⁷I. Этот анализ показывает, что возраст изотопов йода значительно (примерно вдвое) меньше возраста изотопов урана, плутония и тория. В противном случае сравнительно короткоживущий изотоп ¹²⁷I не сохранился бы. С другой стороны, из анализа содержания ксенона в образцах метеоритов следует, что уже через 180 миллионов лет после своего образования изотопы йода вошли в состав кристаллического вещества метеоритов. Так как не подлежит сомнению, что метеориты образовались одновременно с Солнечной системой (около 5 миллиардов лет назад), то можно сделать вывод, что вещество, из которого образовалась эта система, было обогащено незадолго до этого вспыхнувшей сверхновой. Заметим еще, что недавно обнаруженные различия в химическом составе у облаков межзвездной среды (см. § 2) естественно объясняются влиянием вспышек сверхновых.

После нашего небольшого экскурса в увлекательную область химической истории Галактики мы возвращаемся к основному вопросу о причинах взрывов звезд, наблюдаемых как феномен сверхновых. Изучение остатков таких вспышек открывает возможность оценить некоторые важные параметры взрывов, без знания которых научное рассмотрение этой проблемы было бы невозможно. К числу таких параметров относятся масса выброшенной при взрыве оболочки, кинетическая энергия этой оболочки и ее химический состав, наличие огромного количества релятивистских частиц в остатках взрыва и их энергетический спектр. Кроме того, исследования вспышек сверхновых в других галактиках методами современной астрономии (в частности, спектроскопии) позволяют определить полное количество излученной энергии, этой важнейшей характеристики взрыва. Эти же наблюдения дают возможность определить первоначальную скорость выброшенных при взрыве газов, что позволяет оценить «удельную энергию» взрыва, т. е. количество энергии, приходящееся на грамм вещества.

Прежде всего следует подчеркнуть, что настоящей теорией взрыва звезд современная наука пока еще не располагает. Эта проблема, как и можно было ожидать, оказалась очень трудной. Все же положение не следует признавать таким уж безнадежно плохим. Ряд узловых вопросов будущей теории уже в определенной степени разработан, а главное,– поняты, правда, в довольно общей форме, те физические условия в эволюционирующей звезде, которые, закономерно меняясь, должны с неизбежностью привести к космической катастрофе.

Переходя к существующим теоретическим представлениям, касающимся причины взрыва звезд, прежде всего остановимся на возможных источниках энергии. Естественнее всего считать, что таким источником является ядерная энергия.

Мы уже довольно подробно рассматривали этот источник для объяснения «спокойного» излучения звезд во время их пребывания на главной последовательности (см. § 8). Там же подчеркивалось, что после «исчерпания» водородного ядерного горючего в центральных областях звезды характер ее эволюции значительно усложняется. Равновесное состояние звезды на конечной стадии ее эволюции зависит от первоначальной массы, которая предполагается неизменной на протяжении всей эволюции. Последнее предположение, однако, как мы уже раньше видели в § 13, заведомо не выполняется. Например, на стадии красного гиганта у реальных звезд наружные слои отделяются, а из внутренних образуется белый карлик.

Тем не менее полезно рассматривать идеализированную модель звезды, которая все время сохраняет свою массу и к тому же не вращается. Можно полагать, что такое упрощенное рассмотрение задачи позволит выявить ряд существенных особенностей заключительной фазы звездной эволюции. Расчеты показывают, что если масса такой «идеализированной» звезды меньше чем 1,2 солнечной, то конечным продуктом эволюции являются белые карлики, о которых речь шла в § 10. Для звезд с массой, большей чем 1,2, но меньшей 2,5 солнечной, конфигурация с вырожденным газом уже не является равновесной. Как это было показано еще в 1938 г. американскими физиками-теоретиками Оппенгеймером и Волковым, такая звезда после исчерпания запасов ядерного горючего должна катастрофически сжаться и превратиться в сверхплотный объект размерами около 10 км – в нейтронную звезду. Мы уже упоминали об этом в § 10. Необходимо, однако, подчеркнуть, что звезды с массой, превышающей некоторый предел, близкий к 2,5 солнечной массы, в конечном итоге должны катастрофически сжаться в точку (так называемые «черные дыры», о которых подробно будет рассказано в § 24).

Таким образом, в зависимости от первоначальной массы идеализированной модели звезды теория предсказывает три типа конечного состояния «мертвых» (т. е. исчерпавших свою энергию) звезд:

1. белые карлики,

2. нейтронные звезды,

3. черные дыры.

Первые известны астрономам вот уже свыше 70 лет. Нейтронные звезды после долгих безуспешных попыток были открыты только в 1967 г. Наконец, есть некоторые основания полагать, что несколько известных объектов отождествляются с «черными дырами» (см. § 24). Таким образом, мы видим, что хотя «идеализированная» модель звезды и является крайне упрощенной, существование всех трех разновидностей «мертвых» звезд она предсказала правильно. Первоначальная теория, однако, не указывала на конкретные пути образования «мертвых» звезд.

По всем данным вспышки сверхновых связаны с конечным этапом звездной эволюции. Это видно хотя бы из весьма своеобразного химического состава волокон Кассиопеи А. Из сказанного следует, что можно ожидать «генетическую» связь между вспышками сверхновых и образованием нейтронных звезд и черных дыр. Последнее обстоятельство «подозревалось» давно, но только около 15 лет назад были получены прямые наблюдательные данные: в остатках сверхновых обнаружены нейтронные звезды.

Естественнее всего считать, что огромное количество энергии, освобождаемое при вспышках сверхновых, имеет ядерное происхождение. Однако далеко не всякое ядерное горючее может быть, хотя бы в принципе, ответственно за взрыв звезды. Прежде всего это относится к водороду – основному ядерному горючему, поддерживающему путем соответствующих термоядерных реакций «спокойное» излучение звезд на главной последовательности. Дело в том, что хотя выделение энергии при полном превращении водорода в гелий и очень велико (6 10¹⁸ эрг/г), оно происходит достаточно медленно. Поэтому взрыва (т. е. очень быстрого освобождения большого количества энергии) в этом случае произойти не может.

Медленность термоядерных реакций на ядрах водорода объясняется тем, что цепь таких реакций (см. § 8) в качестве необходимых звеньев содержит процесс -распада. Последние же протекают весьма медленно и их нельзя никаким образом «ускорить»: ведь это же «спонтанные», т. е. самопроизвольные процессы. Например, даже при самой высокой температуре реакция превращения водорода в дейтерий:

происходит из-за -распада очень медленно. Однако при высоких температурах благодаря уже рассматривавшейся в § 8 реакции 3⁴He ¹²С и последующих реакций ядер углерода с ядрами гелия (альфа-частицами) вида

может возникнуть очень большое количество легких ядер углерода, кислорода и неона. Ядра этих легких элементов могут уже при температуре около ста миллионов кельвинов вступить в реакции с протонами, сопровождаемые значительным, а главное, быстрым выделением энергии, так как такие реакции не сопровождаются -распадом. Однако этим способом каждое ядро легкого элемента может последовательно присоединить к себе не более трех-четырех протонов, что обеспечит выход энергии около 10—20 МэВ на одно ядро. Для более тяжелых ядер, получаемых путем последовательного присоединения протонов, наличие -распада сильно замедляет реакцию, отчего она потеряет свой «взрывной» характер. Все же даже 3—4 последовательных присоединения протонов дают неплохую «взрывчатку». Весь вопрос, однако, заключается в том, хватает ли у звезды нужного количества ядер легких элементов, чтобы при их взрыве (как это может случиться, мы пока не обсуждаем) выделилось нужное количество энергии.

Если химический состав звезды, которая должна взорваться, такой же, как у Солнца, то в каждом грамме ее вещества содержится примерно 5 10²⁰ легких ядер. Если каким-то образом взрывная реакция на легких ядрах описанного выше вида произойдет, то удельный выход энергии будет 10¹⁶ эрг/г. Это мало! Ведь в случае сверхновых II типа удельный выход энергии по крайней мере в 10 раз больше. Если мы на минутку вообразим себе, что наше Солнце взорвалось бы вследствие такой реакции, то выделилась бы энергия 10⁴⁹ эрг, а это все-таки в десять раз меньше, чем выделяется энергии при вспышках сверхновых I типа. Если предположить, что по какой-то неизвестной причине недра Солнца нагрелись бы до температуры в сто миллионов кельвинов, то скорее всего последовал бы взрыв. Однако скорость разлета газов не превышала бы, скажем, 500 км/с, а это по крайней мере в десять раз меньше, чем наблюдаемая скорость разлета при вспышке сверхновых (см. § 15).

Назад к карточке книги "Звезды: их рождение, жизнь и смерть"