Текст книги "Тайны Вселенной"

Автор книги: Валерий Демин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 34 страниц)

Чтобы больше узнать о влиянии гравитации на звезды, проведем мысленный эксперимент. Предположим, мы связали горячую звезду с холодным проводником тепла. Мы знаем, что тепло переходит от горячего тела к холодному, поэтому и в нашем мысленном эксперименте поток тепла потечет от горячей звезды к холодной. Тем не менее нас ждет сюрприз! В обычных условиях, если тепло переходит от горячего тела к холодному, температура горячего тела понижается, а холодного растет. По мере утечки тепла из горячей звезды ее внутреннее давление будет падать и равновесие нарушится, так что звезда сожмется под действием сил гравитации. А при сжатии звезды газ разогревается и температура повышается! Что происходит с другой, холодной звездой? Она получает тепло, давление в ней растет, и ее равновесие также нарушается. Звезда расширяется, так как силы внутреннего давления преобладают над силами гравитации. Но с расширением звезды газ охлаждается, поэтому холодная звезда становится еще холоднее!

Как ни странно такое поведение, нечто подобное действительно происходит в ходе звездной эволюции. Мы уже видели, что в центральном ядре звезды, подобной Солнцу, температура достаточно высока для поддержания реакции синтеза гелия из водорода. Что произойдет, когда водород в ядре иссякнет? Из-за дефицита топлива термоядерный реактор на время «выключится». Это приведет к снижению выработки тепла и к падению давления в ядре, поэтому ядро сжимается и разогревается. Когда его температура повысится примерно до 100 миллионов градусов Цельсия, реактор снова оживет. Однако теперь топливом будет служить уже не водород, а гелий. При такой температуре три ядра гелия могут слиться и образовать ядро углерода. Тем временем для сохранения общего равновесия внешняя оболочка звезды расширится и звезда станет гигантом. Расширение оболочки ведет к охлаждению, так что поверхностная температура звезды упадет. Если температура на поверхности Солнца около 5500 °C, то поверхностная температура звезды-гиганта может понижаться до 3500 °C. Поэтому наше Солнце имеет желтоватый цвет, а цвет звезд-гигантов приближается к красному.

В ходе звездной эволюции процессы сжатия и расширения чередуются вновь и вновь. Пока есть топливо, звезда его сжигает. Когда его запасы иссякают, ядро сжимается и разогревается до тех пор, пока не достигнет температуры, достаточной для начала термоядерной реакции с новым топливом. В этой последовательности появляются ядра все более тяжелых элементов:

Гелий → Углерод → Кислород → Неон → Кремний → Железо

На каждом этапе для сохранения равновесия внешняя оболочка звезды расширяется все сильнее. Звезда-гигант становится все больше. Однако ядерная физика учит, что процесс синтеза не может продолжаться без конца, а прекращается на ядрах группы железа. Дальнейшее присоединение частиц к ядру железа уже не может привести к выделению энергии. К этому моменту температура ядра достигает около 10 млрд. градусов Цельсия, и звезда оказывается в катастрофическом положении. Гравитации, которая до сих пор регулировала равновесие горячей звезды, это уже не под силу. В звезде развиваются неустойчивости, вследствие которых внешняя оболочка может быть сброшена. Эта катастрофа наблюдается как вспышка сверхновой звезды.

Продуктами такого взрыва являются атомные ядра (синтезированные в звезде), электроны, нейтрино и излучения.

Ядра атомов образуют потоки космических лучей, которые распространяются в нашей Галактике на огромные расстояния. Для нас, жителей Земли, было бы настоящей катастрофой, если бы взрыв сверхновой произошел на расстоянии, скажем, 100 световых лет. Порожденные этим взрывом космические лучи высоких энергий натворили бы страшных бед в земной атмосфере. Они могли бы, например, разрушить весь защитный слой озона и тем самым открыть все живое на Земле ультрафиолетовому излучению Солнца. К счастью, взрыв сверхновой – довольно редкое явление. Частота таких взрывов по всей Галактике – примерно одно событие в 100–300 лет. Поэтому вероятность взрыва сверхновой в наших окрестностях не дальше 100 световых лет в течение тысячи лет равна всего лишь одной миллионной.

При всей разрушительности взрыва сверхновой имеются данные, что это событие может в свою очередь стимулировать образование звезды из близлежащего газового облака. Химический состав Солнечной системы свидетельствует о том, что своим рождением она могла быть обязана взрыву сверхновой. Сталкиваясь с облаком межзвездного газа, ударные волны от таких взрывов могут способствовать началу сжатия. Не исключено, что Солнце и планеты сконденсировались из сжимающегося газового облака. Таким образом, звездные катастрофы могут играть и созидательную, а не только разрушительную роль.

Установлено (как уже было сказано), что все звезды живут своей долгой и своеобразной жизнью. По крайней мере каждая из них когда-то родилась и когда-то умрет. В. А. Амбарцумян сформулировал дилемму, возникшую в современной звездной космогонии: что считать первичным при образовании светил – рассеянное ли (диффузное) вещество или какие-то плотные (сверхплотные образования). Хотя нет никаких прямых доказательств возникновения звезд из диффузного вещества (так же, как и прямо противоречащих этому факту), то обычно ссылаются на косвенные аргументы. В пользу образования звезд из межзвездного диффузного вещества говорят следующие доводы. В нашей Галактике мы не наблюдаем непосредственно никаких других, сколько-нибудь значительных по массе объектов, кроме звезд и диффузной материи. А так как формирование звезд продолжается – и это общепризнанный факт, – то они могли возникнуть только из диффузного вещества.

Для обоснования противоположной гипотезы необходимо предположить, что существуют какие-нибудь неизвестные нам плотные «протозвезды». Если сравнить распределение звезд и диффузного вещества, то легко можно убедиться, что молодые звезды расположены главным образом в непосредственной близости от плоскости Галактики. То же самое характерно для диффузного вещества. Более того, в тех областях пространства, где расположены группы молодых, недавно возникших звезд, то есть в звездных ассоциациях, мы часто наблюдаем диффузные газовые туманности, которые следует тогда рассматривать как материал для продолжения процесса звездообразования или как остатки этого процесса.

Поскольку Галактика состоит из спиральных ветвей, вдоль которых и располагаются молодые звезды и звездные ассоциации, постольку гораздо легче предположить, что форма ветвей отражает распределение газа, из которого звезды возникли. Наблюдаемые газовые облака, по-видимому, располагаются вдоль тех же спиральных ветвей. Наконец, только диффузное тело большого первоначального объема может иметь большой момент вращения, каким обладают, например, широкие звездные пары, то есть те, составные части которых расположены далеко друг от друга. Вот вкратце аргументы В. А. Амбарцумяна в пользу гипотезы о возникновении звезд из диффузного вещества.

Сторонники противоположной точки зрения утверждают, что диффузное вещество и звезды возникают совместно из каких-то массивных образований неизвестного нам типа. Этим можно объяснить, что молодые звезды и диффузное вещество встречаются в Галактике большей частью совместно. Весьма часто мы непосредственно наблюдаем в Галактике явления расширения и рассеяния диффузного вещества. При этом иногда это диффузное вещество на наших глазах выбрасывается из звезд. Так, во время вспышек новых и сверхновых звезд выброшенное из звезды вещество образует туманности, которые расширяются и затем рассеиваются.

Однако нигде и никогда мы не наблюдали не только сгущения диффузной материи в звезды, но и вообще какого бы то ни было сжатия разреженных газовых масс. Мы знаем, что некоторые газовые туманности расширяются. Примером может служить туманность Розетка в созвездии Единорога. В центральной части этой расширяющейся туманности находится разреженная область, где, однако, наблюдается группа молодых звезд. Естественно допустить, что в результате взрыва какого-то плотного массивного тела образовалась эта группа молодых звезд и одновременно были выброшены большие газовые массы, которые продолжают до сих пор расширяться. В центральной части туманности Ориона находится кратная звездная система, называемая Трапецией. Звезды этой группы удаляются друг от друга со столь значительными скоростями, что должны выйти из-под влияния взаимного притяжения. Если в обычном газе скорости внутреннего движения настолько уменьшилось, что он под воздействием собственных сил тяготения собрался в эти звезды, то непонятно, как у возникших звезд могли появиться столь большие скорости. Однако взрывом массивного плотного тела можно объяснить и образование расширяющейся Трапеции, и возникновение окружающей ее туманности. Если прибавить к этому то, что нам известно о расширяющихся оболочках вокруг отдельных звезд и групп молодых гигантов, то получается картина, диаметрально противоположная той, которую рисуют сторонники гипотезы конденсации. Наконец, остается неясным, как сгущающаяся в звезду газовая масса освобождается от имеющегося у нее обычно избыточного момента вращения. Конечно, представители обеих точек зрения пытаются найти обходные пути для решения встречающихся затруднений. Однако самое важное при этом, на наш взгляд, использование системного подхода к исследованию проблемы, учет закономерностей не только звездообразования, но также и тех известных процессов, которые происходят в галактиках и, самое главное, на вакуумном уровне. Ибо вакуум с его открытыми и еще не открытыми свойствами, во-первых, заполняет большую часть межзвездного и межгалактического пространства, а, во-вторых, лежит в основе всех астрофизических процессов (и не только их одних), по поводу которых, собственно, и ведутся дискуссии.

Одно время предполагалось, что все известные типы звезд – от голубого гиганта до белого карлика – это различные стадии общей для всех звездной эволюции. Сегодня думают по-другому.

Считается, что звезды-гиганты завершают свой жизненный цикл мощным взрывом. Напротив, небольшие звезды, вроде нашего Солнца, после того, как спустя примерно 10 миллиардов лет выгорает все содержавшееся в них ядерное топливо, сжимаются и превращаются в белые карлики. Те также постепенно угасают и становятся абсолютно безжизненными телами. Сказанное выше – всего лишь некоторые из обсуждаемых в настоящий момент гипотез. Пройдет немного времени – и ситуация может радикально измениться.

Собственно, альтернативный подход сформулирован давно – еще в середине нынешнего века. «Крамольная» точка зрения принадлежит выдающемуся отечественному космисту Н. А. Козыреву.

Он считал, что объяснить энергетические процессы, происходящие внутри звезд и обусловливающие их эволюцию, на основе термоядерных реакций, конечно, возможно. Но это – всего лишь дань времени. Так было всегда. Господствующая научная парадигма накладывала отпечаток на картину мира и становилась «палочкой-выручалочкой» для истолкования любых малоизученных явлений. Во времена господства механистического мировоззрения небесные и космогонические явления интерпретировались в духе классической физики, сдобренной термодинамикой. Затем старые и казавшиеся незыблемыми взгляды потеснил электродинамический подход. Затем – квантово-механический и релятивистский. В настоящее время ускоренно набирает силу (фактически – уже набрал!) информационно-голографический. В итоге, с учетом колоссальных достижений и практических результатов в области ядерной физики, восторжествовало мнение, что свечение звезд да и само их существование обусловлено термоядерными реакциями.

Выглядит подобное объяснение правдоподобно и даже привлекательно, однако оставляет многие традиционные вопросы без ответа. Козырев скрупулезно перечисляет их: 1) фазовое состояние звездного вещества (газ Больцмана и Ферми); 2) характер переноса энергии – лучеиспусканием или конвекцией; 3) роль лучевого давления внутри звезд; 4) значение коэффициента поглощения; 5) химический состав звезд, «то есть среднее значение молекулярного веса газов внутри звезд»; 6) механизм выделения звездной энергии. В анализе перечисленных проблем пулковский астроном шел не от умозрений и не от моды, а от фактов. Главный среди них: температура в звездах ниже, чем это необходимо для термоядерных реакций. Их светимость зависит только от массы и радиуса.

Наконец, самый непостижимый с точки зрения здравого смысла вывод: в звездах вообще нет никакого собственного источника энергии. Звезда излучает так, – пояснял Козырев, – как будто она, остывая, никак не может остыть. Потеря энергии должна неизбежно приводить к необратимым результатам в строении звезды: она должна сжиматься. Но этого не происходит! В недрах звезд происходят не термоядерные, а неведомые пока процессы, которые компенсируют все потери энергии. По-видимому, считал ученый, мы имеем дело с механизмом выделения энергии совершенно особого рода, «неизвестного земной лаборатории». Вселенная – своего рода «вечный двигатель». Механизм свечения Солнца такой же, как и у любой другой звезды подобного типа: по собственным расчетам русского космиста, температура внутри нашего светила слишком мала, чтобы оно могло быть термоядерным реактором. Хотя такая точка зрения на сегодня считается общепризнанной.

Крамольные тезисы следует толковать с точки зрения общего понимания Козыревым фундаментальных закономерностей целостной Вселенной. Таковыми он считал законы времени, о чем подробно говорилось в первой части настоящей книги.

Доподлинно же известно немногое. Например, совершенно точно установлено: звезды с наибольшей яркостью имеют самую короткую продолжительность жизни. Установлена также зависимость сгорания звезд от их массы. Казалось бы, чем больше вещества, тем больше запасов топлива и тем дольше оно должно гореть. Оказалось, все наоборот: массивные звезды сгорают гораздо быстрее, время их жизни, скорее всего, несколько десятков миллионов лет. Это обусловлено закономерностями ядерных реакций, происходящих в недрах звезд. Так, если звезда в 10 раз массивнее Солнца, то она расходует свои запасы ядерного топлива в 1000 (!) раз быстрее, чем Солнце. Такая звезда, хоть и обладает первоначальным запасом протонов, десятикратно превышающим солнечный, будет жить в 100 раз меньше Солнца (в общем случае говорят: продолжительность жизни звезд обратно пропорциональна квадрату их масс). Затем происходит мощнейший космический взрыв, который гасит звезду подобно тому, как сильное дуновение гасит пламя свечи.

Здесь мы вновь вернулись к традиционному для конца ХХ века представлению о термоядерных источниках энергии звезд. Хотя в прошлом, до открытия ядерной энергии, астрономы и космологи, как мы помним, считали, что к мощнейшему разогреву звезды приводит гравитационное сжатие ее вещества. Известный американский ученый Г. Рессел сформулировал пять условий, которым должны удовлетворять источники энергии звезд. Во-первых, они должны действовать при очень высоких давлениях и температурах, существующих именно в недрах звезд. Во-вторых, выделение звездной энергии не должно ускоряться, иначе это приведет к быстрым взрывам и на ночном небе вместо неподвижных светил наблюдалась бы огненная вакханалия. В-третьих, звездная энергия должна за счет чего-то компенсироваться. В-четвертых, как бы не подпитывалась энергия звезды, она в течение весьма продолжительного времени обязана иссякнуть, а звезда превратиться в белого карлика. В-пятых, сами белые карлики, которых во Вселенной более чем достаточно, должны обладать собственным запасом энергии, дабы обеспечить длительность своего существования.

Основная информация, которую мы получаем от звезд, переносится на Землю в виде света. Дальше к делу подключаются приборы и аналитическое мышление. Так, чтобы определить температуру на поверхности звезды, с помощью спектрографа устанавливают ее спектр, то есть частоты и длины волн. По частоте определяется энергия звездных фотонов и делается вывод о температуре на поверхности самой звезды. Разные спектры – разные звезды. Но все они входят в те или иные спектральные классы. Еще один важнейший параметр, который можно установить по излучаемому свету, – видимый блеск звезды. В зависимости от него строится шкала звездных величин, где самым ярким звездам присвоена первая звездная величина, а самым слабым из видимых невооруженным глазом – шестая. Другими словами, чем слабее звезда, тем больше ее звездная величина.

Звездная величина ничего не говорит нам о расстоянии до светила. Когда такое расстояние установлено, возникает необходимость ввести понятие светимости, которая имеет в виду блеск звезд каким бы он виделся, если бы все звезды находились на равном расстоянии от наблюдателя. Светимость – типичное отвлеченное (абстрактное) научное понятие, но без него трудно составить правильное представление о мире звезд. Разброс в светимостях звезд, находящихся на разном расстоянии от Земли, оказался огромным. Так, наше Солнце находится где-то посередине общей шкалы светимостей. При этом светимость некоторых гигантов превышает солнечную в 100 000 раз. И во столько же светимость слабейших белых карликов ниже солнечной.

В зависимости от своей светимости и поверхностных температур все звезды были распределены на одной из самых удобных астрономических диаграмм, названной по фамилиям открывших ее (независимо друг от друга) ученых диаграммой Герцшпрунга-Рессела (рис. 70). На приведенной ниже таблице хорошо видно: у большинства звезд поверхностные температуры и абсолютные звездные величины таковы, что эти звезды (включая Солнце) кучно располагаются по диагонали диаграммы. Эта насыщенная часть «картинки» именуется в астрономии главной последовательностью. Для входящих в нее звезд характерна четкая связь между поверхностными температурами и светимостями: чем выше поверхностная температура звезды, тем больше ее абсолютная звездная величина, или светимость. Звезды главной последовательности (а их большинство во Вселенной) на протяжении почти всей своей эволюции активно выделяют энергию, не меняя при этом существенно свои размеры.

Но есть в звездном мире объекты, которые не вписываются в традиционные каталоги. К ним, в частности, относятся так называемые сверхновые звезды, или просто – Сверхновые. Природа их стала проясняться не так давно. Но астрономы сталкиваются с этими необычными небесными явлениями вот уже почти тысячелетие.

Первыми были китайцы и японцы. Они первыми зафиксировали на небе в 1054 году необычно крупную и доселе неизвестную звезду, превосходившую яркостью Венеру и видимую даже днем. Одна из вспышек сверхновых звезд была зарегистрирована китайскими хронистами свыше 900 лет назад; 23 дня сияла на небе красно-белая звезда, немеркнущая даже при солнечном свете. Так продолжалось 23 дня, после чего яркость стала постепенно уменьшаться. Через полтора года небесная гостья вообще исчезла с небосклона, что немало озадачило ученых.

Уже в наши дни было определено, что «звезда-гостья» взорвалась в созвездии Тельца, и информация об этом событии достигла Земли спустя шесть тысяч лет (столько потребовалось свету, чтобы достичь окрестностей Солнечной системы). На месте, где сияло необычное светило, сейчас находится Крабовидная туманность – все, что осталось от взорвавшейся звезды. Если бы она находилась ближе к нам, то по ночам 1054 года можно было бы вполне читать книги: светимость Сверхновой (а это была именно она!) равнялась примерно 500 миллионам солнц.

Сверхновые – не частые гостьи на земном небосклоне. Европейцам они стали известны со времени феноменального открытия Тихо Браге в 1572 году. А спустя чуть больше четверти века – в 1604 году – такое же открытие сделал Кеплер. Затем наступила пауза продолжительностью в три века. Теперь Сверхновые открываются регулярно – от 20 до 30 ежегодно. Но все они располагаются в других галактиках. Каждая такая вспышка превосходит сияние миллиардов звезд, составляющих Галактику. Подсчитано, что в любой из галактик одна Сверхновая рождается раз в 100–300 лет. Естественно, что колоссальный космический взрыв приводит к гибели самой звезды и катастрофическим последствиям в ее ближайших окрестностях. Однако сам факт космического взрыва, скорее всего, является закономерным, а не случайным в рамках сохранения и перераспределения энергетического баланса галактик. Как именно это происходит (и тем более – почему), можно только догадываться…

Появление и внедрение новых методов исследования, создание мощных радиотелескопов раздвинули горизонты звездного мира, обогатили науку новыми, доселе неведомыми объектами – такими, например, как пульсары или квазары. Название последних происходит от английского quasar, сокращенно от quasistellar radiosource – «квазизвездный источник радиоизлучения». Они были впервые открыты в 1960 году и являются самыми мощными источниками излучения во Вселенной. Мощность их излучения (светимости), включая радио, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый и рентгеновский диапазоны (а в отдельных случаях и g-диапазон), достигает 1046–1047 эрг/сек. В настоящее время открыты уже многие тысячи квазаров. И все они отстоят от нашей Галактики на миллиарды световых лет. Природа их во многом неясна, а те объяснения, которые даются в рамках концепции «Большого взрыва», выглядят более чем неубедительными. По мнению известного английского космолога Фреда Хойла, квазары – осколки, появившиеся в результате галактического взрыва и разлетающиеся с колоссальной скоростью.

Необходимо также отдавать себе отчет и в том, что все известное о квазарах на сегодня может подвергнуться серьезной корректировке в будущем. Один из главных исследователей сверхдальних космических объектов Патрик Озмер предупреждает: «Следует помнить, что, как бы правдоподобно ни выглядели наши современные представления о квазарах, остается некоторая вероятность того, что они совершенно неверны в важных деталях. Некоторые астрономы выражают сомнение, что квазары действительно так далеки, как указывают их красные смещения. Другие ставят под вопрос реальность высокой пространственной плотности квазаров при больших красных смещениях и предполагают, что квазары в действительности ярче и что их интенсивность усиливается в результате прохождения излучения вблизи галактик, лежащих на луче зрения и действующих как гравитационные линзы. В науке редко бывает (если бывает вообще), чтобы большой объем собранных данных был сразу же объяснен теоретически. Вероятно, также дело обстоит и с квазарами».[38]38
  Озмер П. С. Квазары – зонды удаленных областей и ранних стадий нашей Вселенной // В мире науки. 1983. № 1. с. 15.


[Закрыть]