Олег Фейгин - Взрыв мироздания

К такому взгляду можно прийти, если мы, в самом деле, полностью безразличны к тому, как образовалась наша Вселенная, как появились Солнце и Земля, как развилась жизнь и какие возможные опасности будут подстерегать человечество в будущем, потому что взрывающиеся звезды имеют самую тесную связь с каждой из этих вещей.

Жизненный путь каждой звезды предопределен с самого начала ее массой. Солнцеподобные звезды умирают тихо и достойно, медленно сбрасывая внешние газовые оболочки, как деревья осеннюю листву. Более массивные звезды устраивают совершенно фантастический космический фейерверк, неистово разрываясь в чудовищных катаклизмах и превосходя на какое-то время по яркости целую галактику. Эта короткая вспышка звезды в конце ее жизненного цикла и является взрывом сверхновой (см. цветную вклейку).

Как и у человека, жизнь звезды – бесконечный поиск продуктов питания, т. е. новых источников энергии. Например, для нашего Солнца горение закончится где-то через 5 млрд лет на этапе образования гелия из водорода.

Чем массивнее и ярче звезда, тем быстрее она расходует запасы горючего, соответственно, быстрее сокращая свою жизнь. В основной части жизненного цикла звезды идет процесс превращения водорода в гелий. Массивные звезды в десятки солнечных масс успевают сжечь весь водород всего за несколько миллионов лет. В конце эволюции, после завершения эпохи сияния, звезды сбрасывают внешние слои, а центральное ядро превращается в белого карлика, нейтронную звезду или черную дыру.

Пока еще мало известно о рождении звезд, но еще меньше астрономы знают о взрывах сверхновых. Эти редко наблюдаемые с Земли космические события могут оказаться просто смертельными для человеческой цивилизации своими губительными потоками высокоэнергетического излучения. Однако вероятность взрыва сверхновой вблизи Солнечной системы не столь велика. Гораздо чаще ученые наблюдают конечный результат таких космических сверхвзрывов. Взрыв тяжелой сверхновой звезды сопровождается не только резким увеличением светимости, но и выбросом огромной массы газа и пыли в окружающее пространство. Из подобного остывшего «праха» когда-то образовалась и наша Солнечная система. Затем на планете Земля появились растения, животные и человек. Таким образом, все атомы тяжелых элементов внутри нас когда-то были внутри бурлящего термоядерного реактора какой-то из звезд.

Наверное, нет в астрономии объектов более красивых, чем так называемые планетарные туманности с «белыми карликами». Белые карлики были открыты еще в позапрошлом столетии, но объяснить их природу удалось лишь используя новую квантовую механику. Эти удивительные звезды оказались первыми известными науке космическими объектами, живущими по квантовым законам. Ученые, объяснившие происхождение и физическую природу белых карликов, были отмечены высшей научной наградой – Нобелевской премией.

Видимый цвет звезды определяется температурой термоядерной реакции, происходящей в ее глубинах. Но поскольку у белых карликов нет источников энергии и все термоядерные реакции прекратились, белый цвет на начальном этапе их жизни определяется запасенным теплом. По мере остывания цвет этих звездных объектов меняется от белого к красному, и в конце концов почерневший темно-красный карлик будет иметь температуру всего лишь в несколько тысяч градусов. Кстати, ниже температура и не опустится, поскольку падение вещества из межзвездной среды на поверхность карлика будет его постоянно разогревать.

Современные телескопы позволяют разглядеть белые карлики на большом расстоянии, даже если те уже успели изрядно остыть. Изучение подобных объектов дает много важной информации об истории нашей Галактики, особенно о раннем периоде. Их исследование позволяет определить возраст диска Галактики и различных скоплений, в которых наблюдаются белые карлики.

Если же белый карлик одинок, то он достаточно быстро становится слабым и тусклым объектом. Старые источники подобного типа в десятки тысяч раз слабее Солнца, которое само по себе является заурядным желтым карликом.

Белый карлик устойчив, поскольку гравитация, стремящаяся его сжать, уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Однако с увеличением своей массы карлик в конце концов потеряет устойчивость и, вспыхнув на короткое время, станет нейтронной звездой. Каким же образом может увеличиться масса белого карлика? Прежде всего, путем захвата вещества у соседних звезд (астрономы называют этот процесс аккреция). Например, если у карлика есть звезда-компаньон, то ее материя может при определенных условиях начать перетекать на компактный объект карлика. Другой вариант увеличения массы возможен при слиянии двойной системы, состоящей из двух белых карликов.

Возникающие при этом сверхновые звезды очень важны для астрономов, поскольку они похожи друг на друга. Это позволяет использовать их в качестве так называемых «стандартных свеч». Наблюдая сверхновую этого типа в далекой галактике, можно с достаточной степенью точности определить расстояние до нее. Именно такие наблюдения позволили сделать недавнее сенсационное открытие об ускоряющемся расширении Метагалактики. Ниже будет рассказано, к каким важнейшим следствиям приводит этот удивительный факт все современное естествознание, а пока заметим, что белые карлики здесь сыграли очень важную роль. Сейчас даже планируется запуск специальных космических телескопов для поиска далеких сверхновых, разгорающихся из белых карликов.

Вспышки сверхновых представляют собой одни из самых катастрофических событий из тех, что известны астрономам. На деле эти чудовищные процессы, так же, как и Большой взрыв, по своей сути очень мало напоминают привычные нам взрывы. Нам просто не с чем сравнить в земных условиях подобные фантастические катаклизмы. Ведь «взрыв» сверхновой эквивалентен взрыву одного миллиона триллиона триллионов (единица с тридцатью нулями!) мегатонн одного из самых сильных взрывчатых веществ – тринитротолуола.

Масштаб бедствия для окружающей среды, в случае вспышки на одной из ближайших к нам звезд, сопоставим с ядерным взрывом в нескольких километрах (соответствующих световым годам) от муравейника – нашей Солнечной системы.

После такого чудовищного взрыва остается расширяющаяся оболочка сверхновой, которая становится ярче всей галактики, но через месяцы ослабнет и перестанет быть видимой. Вызванные катастрофическим гравитационным сжатием (коллапсом) ядра массивной звезды или термоядерным взрывом белого карлика, вспышки сверхновых происходят приблизительно каждую четверть века.

После яростного взрыва сверхновой звезды образуются еще одни удивительнейшие космические объекты – нейтронные звезды. Сверхсильные магнитные поля этих звезд, сверхплотное вещество в недрах и сверхсильная гравитация на поверхности придают им совершенно уникальные свойства. Первые открытые нейтронные звезды были своеобразными радиомаяками – радиопульсарами или источниками рентгеновского излучения в тесных двойных системах.

Строение нейтронной звезды

Радиоизлучение пульсаров объясняется наличием сильного магнитного поля и невероятно быстрым вращением: шарик массой примерно с наше Солнце и диаметром несколько десятков километров успевает повернуться вокруг своей оси за сотые доли секунды. Визуально заметить вращение многих нейтронных звезд невозможно, поскольку полный оборот они совершают быстрее, чем успевает смениться кадр в фильме.

Как часто взрываются звезды? Трудно точно ответить на этот вопрос, ведь в обычной спиральной галактике подобной нашему Млечному Пути свет интенсивно поглощается газом и пылью галактического диска. Поэтому наблюдения таких событий очень редки. В 1572 году знаменитый датский астроном Тихо Браге был свидетелем этого редкого события. Остаток вспышки можно еще наблюдать в виде ударной волны, которая родилась при взрыве и продолжает расширяться, взаимодействуя с газом и пылью межзвездной среды. Туманность, оставшаяся после этого взрыва, называется остатком вспышки Тихо.

Рентгеновское излучение нейтронной звезды возникает благодаря сильнейшей гравитации на ее поверхности. Камень, брошенный на такой объект, приведет к выделению такой энергии, которая превысит энергию взрыва атомной бомбы такой же массы. Если система двойная, то возможна ситуация, когда вещество начнет перетекать на нейтронную звезду со второго компонента, и мертвая нейтронная станет активно излучать рентгеновские кванты.