Рудольф Киппенхан

100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд

Предисловие редактора перевода

Предлагаемая читателю книга известного западногерманского астрофизика Рудольфа Киппенхана была впервые издана в 1980 г. и в переработанном виде в шестой раз переиздана в 1987 г. Она переведена на многие языки и широко известна в разных странах. Подзаголовок названия «Рождение, жизнь и смерть звезд» лаконично передает ее содержание.

Современная астрофизика базируется во многом на знаниях, полученных в последние десятилетия. Сюда относятся термоядерный синтез как источник энергии звезд, открытие пульсаров, нейтронных звезд, черных дыр. Эти открытия поистине произвели революцию в астрофизике и не случайно вызвали широкий интерес не только в среде специалистов. О них писали и пишут в научно-популярных журналах и поэтому можно с большим основанием предполагать, что потенциальный читатель уже слышал о предмете настоящей книги.

Книга написана по материалам лекций, прочитанных автором в Мюнхенском университете. Однако это не должно отпугнуть читателя-неспециалиста. Это научно-популярная книга, в которой на доступном для любого образованного человека уровне излагается современная астрофизика. Вы не встретите в книге ни одной формулы, и при этом самые непонятные факты и явления объяснены без какого-либо элемента вульгаризма.

Как автору удалось достичь такой ясности и занимательности, которые захватывают читателя с первой страницы, приходится только удивляться. Объяснение следует искать не только в том, что Рудольф Киппенхан — крупный астрофизик, прекрасно знающий предмет, он несомненно обладает выдающимся талантом популяризатора. Такую книгу мог написать лишь человек, влюбленный в свою науку.

На кого рассчитана эта книга? Ее прочтут старшеклассники, студенты, специалисты с высшим образованием — все, кого мы называем образованными людьми. Она также может служить пособием для лекторов, преподавателей физики и астрономии не только в средней школе, но и в вузах.

Книга приобщает читателя к одной из самых занимательных областей современной науки, в которой еще не все ясно и которая развивается буквально на наших глазах. История науки последних лет показала, что окружающая нас Вселенная содержит еще много загадок. Но все явления, которые были открыты, всегда удавалось объяснить на основе известных нам законов физики, наличие неясностей еще не дает оснований для пересмотра этих законов. Однако сюрпризов исключить нельзя.

Мы не будем пересказывать содержание книги. Это просто невозможно, как невозможно пересказать произведение искусства. Можно лишь пообещать читателю, что он не только откроет для себя совершенно потрясающий мир Вселенной и тем самым расширит свои познания, но задумается о жизни вообще и о месте земной цивилизации во Вселенной. А это столь актуально в наше время.

Перевод выполнили: канд. физ. — мат. наук Б. Б. Страумал (гл. 1–7) и А. С. Доброславский (гл. 8-13, приложения).

Академик И. М. Халатников

Предисловие автора к русскому изданию

Мне было очень приятно узнать, что издательство «Мир» собирается выпустить эту книгу на русском языке. Невольно вспоминается 1957 год, когда мой друг Штефан Темешвари (ныне покойный) и я создали свою первую численную модель строения звезды. Мы как раз сидели у работающего компьютера, когда услышали о запуске первого советского спутника. Тогда мы, конечно, и не предполагали, что советские космические аппараты позволят с помощью радара увидеть скрытые облаками ландшафты Венеры и сфотографируют ее поверхность и что ровно через 30 лет аппаратура наших коллег из родственного нам Института космической физики имени Макса Планка, выведенная на орбиту на борту советской станции «Мир», сможет зарегистрировать рентгеновское излучение Сверхновой, вспыхнувшей в Большом Магеллановом Облаке.

Во время своих частых поездок в ГДР я видел в книжных магазинах переводы очень хороших советских научно-популярных книг, выпущенных издательством «Мир». Я очень рад, что моя книга выйдет в этом издательстве, и многие неспециалисты смогут узнать, чем занимаемся мы, астрономы. Читатели, вероятно, заметят, что наша работа приносит нам много радости.

Я благодарю академика И. Халатникова за труд по редактированию русского перевода. Я весьма признателен моему коллеге д-ру А. Тутукову за помощь при подготовке этого издания. Благодарю также сотрудников издательства «Мир» за их работу по переводу этой книги.

Мюнхен, 15 марта 1988 года.

Рудольф Киппенхан

Предисловие

Эта книга возникла как результат более сотни популярных лекций, в которых я попытался в общедоступной форме изложить достижения современной астрофизики широкому кругу слушателей. Ее содержание окончательно оформилось после того, как мне пришлось в зимнем семестре 1978/79 г. прочесть курс лекций для студентов Мюнхенского университета. В тексте я часто обращаюсь к материалам работ, которые мы с Альфредом Вайгертом опубликовали в журнале «Sterne und Weltraum» («Звезды и Вселенная»). Заметное место в книге занимают личные воспоминания, поскольку многие важные события в астрофизике произошли за последние 25 лет уже на моей памяти, и в большинстве из них мне как астроному довелось принимать участие. Более того, мне и моим сотрудникам в целом ряде случаев посчастливилось повлиять на «развитие событий» в этой области науки.

Многие друзья и коллеги помогали мне найти в тексте ошибки и неточности. Вольфганг Хиллебрандт, Джон Кирк, Ханс Риттер, Иоахим Трюмпер и Вернер Чарнутер внимательно прочитали некоторые главы. Курт фон Сейнбуш тщательно отредактировал почти всю книгу. Большую помощь оказал мне мой друг, математик из Гёттингена Ханс Людвиг де Фриз, который вместе со мной прочитал всю рукопись (предложение за предложением) и высказал много полезных замечаний. Эта книга, безусловно, не была бы закончена, если бы не одобрение и поддержка моей жены. Большая часть рукописи была напечатана Урсулой Хенниг и Гизелой Веслинг, и я им весьма благодарен, поскольку мне часто приходилось вносить исправления в уже готовый текст. Я благодарю всех, кто помогал мне в этой работе.

Я весьма признателен также сотрудникам издательства «Пипер», которые спокойно и с готовностью принимали мои предложения по оформлению этой книги.

Мюнхен, 31 июля 1979 года.

Рудольф Киппенхан

Введение

Действие драмы происходит в Млечном Пути. Действующие лица сто миллиардов звезд на небе и несколько сотен привязанных к Земле астрономов.

В соответствии с режиссерскими указаниями законов природы вещество во Вселенной собралось в огромные шары, которые мы называем звездами. Температура звезд так велика, что в их недрах не могут существовать ни твердые тела, ни жидкости. Звезды представляют собой газовые шары, частицы вещества в которых удерживаются вместе силами взаимного гравитационного притяжения. Один из таких раскаленных газовых шаров мы называем Солнцем. Удаленный наблюдатель, который будет сравнивать наше Солнце с другими звездами Млечного Пути, не найдет в нем ничего особенного: это звезда средних размеров, ни слишком большая, ни слишком маленькая, со средней светимостью — обычная звезда, одна среди сотен миллиардов подобных звезд. И только нам роль Солнца кажется исключительно важной, поскольку мы ему обязаны своей жизнью.

Большинство звезд Млечного Пути расположено в плоском, спиральном скоплении, которое мы называем нашей Галактикой. Она так велика, что свет идет от одного ее края до другого сто тысяч лет. Все звезды движутся вокруг центра Галактики по сложным траекториям, которые определяются конкуренцией гравитационного притяжения и центробежных сил. Наша Галактика — Млечный Путь — вращается вокруг своей оси. Во Вселенной много галактик, подобных нашей. Другое такое же скопление звезд, медленно вращающееся вокруг своей оси, — Туманность Андромеды. На рис. 0.1 изображена фотография этой звездной системы. Диск этой галактики кажется нам эллипсом, поскольку мы видим его под некоторым углом. Туманность Андромеды — точная копия нашей Галактики. В ней мы находим все типы звезд, имеющиеся в нашем Млечном Пути, все процессы, протекающие в нашей Галактике. И не только в Туманности Андромеды, поскольку существуют тысячи, миллионы, а может быть, и бесконечное множество других галактик.

Рис. 0.1. На расстоянии примерно два миллиона световых лет от нашего Млечного Пути, к которому относятся все видимые на снимке отдельные звезды, находится галактика Андромеды. Она выглядит как эллиптическое туманное пятно. Лишь с помощью мощнейших телескопов можно различить в этом «тумане» отдельные звезды. Многие галактики обладают спиральной структурой, подобной той, которая видна на снимке. Со стороны галактики Андромеды наш Млечный Путь имел бы аналогичный вид. (Калифорнийский технологический институт и Институт им. Карнеги, Вашингтон.)

На рис. 0.4 показана другая звездная система, на которую мы смотрим перпендикулярно ее плоскости. То, что наша система Млечного Пути и другие, часто спиральные туманности, видимые на небе, имеют одну и ту же природу, было с уверенностью доказано только в 1924 г. Небольшие, слабо светящиеся, часто эллиптические туманные диски наблюдали на небе уже давно. Их называют спиральными туманностями. Уже в 1755 г. Иммануил Кант, которому в ту пору был 31 год, сравнивал их с нашей собственной звездной системой в своей книге «Всеобщая естественная история и теория неба»: «Если посмотреть на такое собрание неподвижных звезд (Кант имел в виду наш Млечный Путь) глазами стороннего наблюдателя, находящегося неизмеримо далеко от него, то это собрание, видимое под очень малым углом, будет выглядеть как небольшой светящийся кружок, если его плоскость перпендикулярна направлению взгляда, или как эллипс, если смотреть на него под некоторым углом». Отсюда Кант сделал вывод, что эллиптические туманности представляют собой звездные системы, подобные нашему Млечному Пути, удаленные от нас на огромные расстояния. Он писал далее: «Вполне можно предположить, что эти эллиптические образования представляют собой такие же совокупности миров, как наш Млечный Путь, с такой же сложной структурой». Потребовалось почти двести лет, чтобы это предположение подтвердилось.

Рис. 0.4. Спиральное облако М51 в созвездии Гончих Псов. Мы смотрим перпендикулярно плоскости Млечного Пути. Светлые спирали — места, где яркие голубые звезды возбуждают свечение межзвездного газа. Свет от этих звездных систем дошел до нас примерно за 12 миллионов лет. (Снимок Военно-морской обсерватории США, Вашингтон.)

Солнце и мы вместе с ним — расположено вблизи экваториальной плоскости нашего Млечного Пути. Если посмотреть в окружающее пространство в направлении, перпендикулярном плоскости Галактики, то мы увидим относительно мало звезд. Если же мы посмотрим вдоль плоскости Галактики, то в наше поле зрения попадет множество звезд (как показано на рис. 0.2). Поэтому плоский диск нашей звездной системы образует светящуюся полосу, которая тянется через всю небесную сферу: это хорошо видно на снимке, сделанном с помощью широкоугольной камеры (рис. 0.3).

Рис. 0.2. На примере галактики Андромеды хорошо видно, почему наша Галактика выглядит на ночном небе как полоса Млечного Пути. Если наблюдатель смотрит перпендикулярно плоскости галактического диска, в котором расположена его планета, то перед ним открывается картина, похожая на изображенную слева вверху: в поле зрения попадает относительно мало звезд. Если же он посмотрит вдоль направления, лежащего в плоскости галактического диска, то он увидит светлую полосу, состоящую из множества звезд (как показано на фотографии справа вверху).

Рис. 0.3. Млечный Путь, сфотографированный с помощью широкоугольной камеры. Темные полосы на изображении обусловлены конструктивными особенностями камеры. (Снимок В. Шлоссера, Астрономический институт Рурского университета в Бохуме.)

Однако диск нашей Галактики образован не только звездами. Светящиеся межзвездные облака свидетельствуют о том, что пространство между отдельными звездами нельзя считать пустым. Примерно одна сотая часть массы всей нашей Галактики не сосредоточена в звездах, а заполняет межзвездное пространство. Химический состав этого вещества совпадает с составом Солнца, однако его плотность составляет всего одну миллионную часть одной миллиардной части плотности Солнца. В этом межзвездном газе существуют крошечные пылевые частицы. Межзвездные пылевые облака ослабляют свет звезд, которые находятся за ними, и эти звезды кажутся нам более красными, чем на самом деле. Точно так же Солнце на закате кажется нам красным, поскольку его свет проходит через запыленную земную атмосферу. Частицы межзвездной пыли очень малы, их средний диаметр составляет всего около одной десятитысячной миллиметра.

Звезды, газовые и пылевые облака Млечного Пути медленно обращаются вокруг центра Галактики и совершают один полный оборот за 100 миллионов лет. Но жизнь звезд нельзя назвать спокойной. Многие из них объединены друг с другом в двойные системы и обращаются вокруг общего центра масс за годы, дни или даже часы. Другие регулярно разгораются и меркнут, увеличиваясь и уменьшаясь в диаметре, словно дышат. Время от времени некоторые звезды взрываются и затем светят настолько ярко, что их свет сравним с сотнями миллиардов других звезд Галактики. Другие звезды светят не равномерно, а вспышками, которые следуют друг за другом с интервалами порядка нескольких сотых секунды.

Этой грандиозной мистерии природы противостоит горстка астрономов на Земле, крохотной планете, обращающейся вокруг ничем не примечательной звезды. Эти люди пытаются понять процессы, происходящие в космосе. С помощью приборов, изготовленных из вещества своей планеты, они наблюдают на своих обсерваториях за процессами во Вселенной и даже поднимают свои телескопы с помощью ракет высоко за пределы земной атмосферы, затрудняющей их наблюдения. Некоторые люди путают их с астрологами, которые не имеют ничего общего с истинной астрономией. Другие восхищаются этими учеными, поскольку они имеют дело с понятиями и масштабами, к которым не применимы наши обыденные взгляды и представления. В своей работе они становятся на один шаг ближе к разгадке тайны бытия. Однако из познания не вытекают нравственные нормы и законы. Близость к огромному и вечному сама по себе не делает астрономов и астрофизиков лучше. Ими движет, как правило, не только стремление к знанию. Соображения карьеры и конкуренция играют в их жизни не меньшую роль, чем у других людей. Более того, честолюбие является побудительной причиной многих научных открытий. Однако среди астрономов мы найдем и бескорыстное стремление к познанию, и многостороннюю взаимопомощь, и дружеское сотрудничество. Такие факты неоднократно упоминаются и на страницах этой книги. Научные сведения добывают такие же люди, как и все мы, и поэтому наши знания о мире почти всегда неполны, а зачастую и ошибочны. Однако дорога, по которой идет астрономическая наука, начиная от Вавилонского царства до появления современной астрофизики, ведет нас вперед, несмотря на многочисленные ухабы и повороты.

Итак, место действия определено, действующие лица представлены, можно начинать нашу пьесу.

Глава 1

Долгая жизнь звезд

Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Ее орбита представляет собой почти правильную окружность с диаметром около 300 миллионов километров. Во время своего движения по орбите земной шар освещается лучами Солнца. Энергия, которую поглощает освещенная Солнцем дневная сторона Земли, затем снова почти целиком излучается в космическое пространство. Это происходит, когда нагретая часть земной поверхности оказывается из-за вращения Земли на теневой стороне, не освещенной Солнцем. Благодаря равновесию между поглощаемым и испускаемым излучением температура поверхности Земли такова, что на планете может существовать жизнь. Строго говоря, не вся поглощенная энергия солнечных лучей снова излучается в космическое пространство: часть запасается в растениях в виде энергии химических связей. За счет солнечной энергии, запасенной в растениях, существуют люди и животные. Сжигая уголь и нефть, мы используем солнечную энергию, запасенную растениями на ранних этапах истории Земли. Турбины наших гидроэлектростанций тоже используют солнечную энергию, поскольку солнечные лучи испаряют воду в океанах, которая затем возвращается на Землю в виде дождя и питает реки. Мощность солнечного излучения, падающего на каждый квадратный метр поверхности Земли, составляет около 1,36 киловатт. Общая мощность солнечного излучения, падающего на всю поверхность Земли, близка к 200000 миллиардам киловатт. Хотя эта величина может показаться нам очень большой, она чрезвычайно мала по сравнению с энергией, которую Солнце излучает за секунду во всех остальных направлениях. Если мы захотим выразить мощность солнечного излучения в киловаттах, то нам потребуется 24-значное число. Лишь исчезающе малая доля этого излучения достается Земле.

Что служит источником энергии Солнца?

Из года в год Солнце с огромной интенсивностью излучает свет и тепло, а значит и энергию в космическое пространство. Как давно это происходит и как долго будет продолжаться? Будет ли мощность солнечного излучения уменьшаться со временем и все живое на Земле постепенно замерзнет? Или же сила солнечного света медленно возрастает и земная жизнь прекратится, когда закипят океаны? С тех пор как люди стали изучать Солнце, они вплоть до сегодняшних дней с помощью самых совершенных приборов не смогли заметить сколько-нибудь существенных изменений интенсивности солнечного излучения со временем. О том, что Солнце уже давно светит примерно с одинаковой силой, говорят и следы органической жизни, которые ученые находят в очень древних геологических слоях. Эти остатки органической жизни показывают, что Солнце уже давно светит так ярко, что на Земле смогли возникнуть и развиваться живые существа. В горных породах геологического яруса Онфервахт (Трансвааль, ЮАР) были найдены остатки относительно высокоразвитых одноклеточных живых существ. Эти живые существа устроены уже почти так же сложно, как и существующие сегодня сине-зеленые водоросли. Таким образом, наиболее ранние признаки жизни на Земле возникли еще 3,5 миллиарда лет назад. Это означает, что уже тогда мощность солнечного освещения должна была быть примерно такой же, как и сегодня.

Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество вещества. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной силе, стремящейся увести планету с орбиты. Из условий такого равновесия сил можно определить силу притяжения Солнца, а значит, и его массу (см. приложение В). Масса Солнца, выраженная в тоннах, представляет собой 28-значное число. В этой солнечной массе запасена энергия, от которой зависит наша жизнь. Если разделить мощность солнечного излучения на его массу, то окажется, что каждый грамм солнечной массы теряет за год примерно 6 джоулей энергии. На первый взгляд это не слишком много, если вспомнить, что каждый грамм человеческого тела излучает в день в тысячу раз большую энергию. Однако человек восполняет такие энергетические потери за счет питания, в то время как Солнце вот уже миллиарды лет черпает энергию из самого себя.

Что же является источником энергии, который позволяет Солнцу светить так долго и так ярко? Могут ли служить таким источником химические превращения? Возьмем для примера наиболее простой химический процесс горение. Если бы Солнце полностью состояло из каменного угля, то энергии горения этого угля хватило бы на поддержание нынешнего солнечного излучения в течение примерно 5000 лет. Но Солнце светит уже многие миллиарды лет. Если бы в «солнечной печи» сжигали уголь, то она давно бы уже потухла. Другие химические процессы слабо отличаются от горения: они тоже не дают достаточной энергии, чтобы обеспечить излучение Солнца.

К концу прошлого столетия были проделаны многочисленные исследования, авторы которых пытались найти источник энергии Солнца. Поскольку химических процессов на Солнце явно недостаточно, то возникал вопрос, не может ли Солнце разогреваться за счет внешних источников. В нашей Солнечной системе имеется множество небольших твердых тел, которые перемещаются между орбитами планет так называемых метеоритов. Мы знакомы с ними по появлению «падающих звезд». Такая «звезда» загорается на небе, когда метеорит влетает в земную атмосферу и, разогреваясь от трения, начинает ярко светиться. Некоторые метеориты не полностью сгорают в атмосфере, их остатки падают на Землю. Многие такие метеориты можно увидеть сегодня в музеях. Солнце из-за своего чрезвычайно большого гравитационного притяжения должно особенно сильно «бомбардироваться» метеоритами, с огромной скоростью прилетающими из нашей Солнечной системы. При падении метеорита на Солнце энергия его движения должна переходить в тепло. Может быть, это тепло и обеспечивает солнечное излучение? Метеориты, падающие на поверхность Солнца, должны приносить примерно 190 миллионов джоулей энергии на каждый грамм своей массы. Однако, чтобы обеспечить излучение Солнца, на него в течение года должно падать столько метеоритов, что их масса составит около сотой части массы Земли. Такое увеличение количества солнечного вещества было бы заметным, поскольку при этом увеличивалась бы сила гравитационного притяжения Солнца, а значит, изменялась бы и скорость движения Земли по орбите. Поэтому продолжительность года за последние 2000 лет должна была заметно уменьшиться. Однако данные о восходах и заходах Солнца и Луны известны с древнейших времен. И никаких заметных изменений в движении нашей планеты вокруг Солнца за это время не произошло. Поэтому «метеоритную гипотезу» пришлось отвергнуть. Солнце разогревается не за счет метеоритной бомбардировки поверхности.

Другим источником энергии Солнца может быть, в принципе, гравитационное взаимодействие между частицами его вещества. На такую возможность указывал еще в прошлом веке Герман фон Гельмгольц, необычайно разносторонний ученый физик и врач. Если бы в недрах Солнца не было никакого другого источника энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжималось бы. Его диаметр становился бы все меньше и меньше, а каждый грамм солнечного вещества постепенно приближался бы к центру Солнца (в самом грубом приближении-с постоянной скоростью). Как и при падении метеоритов на Солнце, при этом процессе должна выделяться энергия, однако солнечное вещество «падает» в отличие от метеоритов «само в себя». Поэтому масса Солнца и его воздействие на Землю не будут изменяться. Однако расчеты показывают, что этот процесс мог поддерживать существующую светимость Солнца примерно 10 миллионов лет в 100 раз меньше срока, в течение которого светит наше Солнце. Таким образом, собственная гравитация тоже не может объяснить излучение Солнца.

Атомная энергия Солнца и звезд

Сегодня мы знаем, что атомные и ядерные реакции служат наиболее мощными из известных источников энергии. Заметная часть электроэнергии вырабатывается сегодня на атомных электростанциях. В реакторах этих электростанций тяжелые ядра атомов урана распадаются на ядра более легких элементов. При таком распаде освобождается энергия. Еще больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие ядра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций является слияние ядер водорода.

Солнце, как и почти все звезды, состоит в основном из водорода. Естественно возникает вопрос, может ли светимость Солнца поддерживаться за счет ядерных реакций слияния водорода в его недрах? Позже мы увидим, что эти реакции действительно являются источником энергии Солнца. В гл. 3 мы подробно обсудим ядерные реакции, протекающие в недрах звезд. Но прежде чем убедиться, что Солнце, а, следовательно, и мы, обязаны своей жизнью ядерным реакциям, попытаемся понять, что следует из предположения о том, что Солнце и звезды существуют за счет превращения атомов водорода в атомы гелия, а освобождающаяся энергия поддерживает свечение звезд.

Пусть атомные ядра одного грамма водорода превратятся в ядра гелия, тогда из этого грамма вещества освободится 630 миллиардов джоулей энергии: в 20 миллионов раз больше, чем при сгорании такой же массы каменного угля. Таким образом, ядерная энергия Солнца позволяет ему существовать в 20 миллионов раз дольше, чем если бы Солнце получало свою энергию за счет сжигания угля. Это означает, что продолжительность жизни Солнца составляет около 100 миллиардов лет. Наконец мы нашли источник энергии, который может поддерживать светимость Солнца в течение миллиардов лет: это ядерная энергия, освобождающаяся при превращении водорода в гелий. Энергия, запасенная в водороде нашего Солнца, позволяет ему светить целых 100 миллиардов лет. На самом деле эта оценка завышена, поскольку Солнце состоит из водорода лишь примерно на 70 %, а, следовательно, оно содержит меньше ядерного «горючего», чем мы предполагали. Далее мы увидим, что ядерная реакция в недрах звезд начинает затухать, уже когда израсходовано 10–20 % всего водорода. Отсюда следует, что Солнце может существовать примерно семь миллиардов лет. Это тоже достаточно большой срок, и Земля (если на ней еще будет существовать жизнь) еще очень долго будет освещаться лучами Солнца.

Солнце — это примерно одна из 7 тысяч звезд, видимых на небе невооруженным глазом. С помощью телескопа можно увидеть неизмеримо больше звезд. И все они, за редкими исключениями, состоят в основном из водорода. Если все эти звезды черпают свою энергию из превращения водорода в гелий, то для всех них можно рассчитать, на сколько лет хватит этого водорода, чтобы поддерживать их светимость. Для Солнца этот срок составляет 7 миллиардов лет. Но можно найти и звезды, в которых водород существенно раньше подойдет к концу. Возьмем к примеру звезду под названием Спика, самую яркую в созвездии Девы. Вокруг нее обращается звезда-спутник, поэтому мы можем определить массу Спики (см. приложение В). Масса Спики примерно в 10 раз превышает солнечную. Мы знаем также, что она светит в 10 тысяч раз ярче Солнца. Таким образом, хотя в объеме Спики содержится в 10 раз больше водорода, чем в Солнце, она светит так ярко, что этого водорода хватит всего на одну тысячную срока жизни Солнца. Следовательно, Спика может светить ненамного дольше нескольких миллионов лет. Это очень короткий промежуток времени по космическим масштабам. Действительно, миллион лет назад на Земле уже существовали высокоразвитые млекопитающие, а в лесах острова Ява уже жили предки человека питекантропы.[1]

Звезды стареют

Хотя запасы энергии у Солнца и других звезд очень велики, однако и они постепенно истощаются со временем. Звезды должны стареть. Можно ли обнаружить прямые свидетельства эволюции звезд? Можем ли мы увидеть на небе, как звезда с течением времени исчерпывает свои энергетические запасы и гаснет? Мы уже показали выше на примере Солнца и Спики, что человеческая жизнь слишком коротка по сравнению с временем жизни звезд. Действительно, свойства звезд, видимых невооруженным глазом, всегда были одинаковыми, начиная с тех времен, когда их впервые описал греческий астроном Гиппарх, живший за 150 лет до нашей эры. Мы видим, что за время существования астрономической науки на нашей планете человек не смог зарегистрировать признаки процессов развития звезд. Некоторые звезды, однако, периодически изменяют свою яркость. Но эти флуктуации не связаны прямо с процессами развития. Такие колебания яркости можно сравнить с мерцанием свечи, они не вызваны исчерпанием энергетических запасов. У этих звезд тоже не удается наблюдать видимых признаков старения. Но тем не менее звезды стареют, и если бы мы могли достаточно долго ждать, то мы бы это увидели.

Задача астронома, который хочет проследить историю развития звезд, в точности напоминает задачу мотылька-однодневки, который за время своей короткой жизни пытается узнать возраст окружающих его людей. Посмотрим на людей с его точки зрения: наблюдая за кем-нибудь с утра до вечера в течение всего лишь одного дня, мотылек не сможет заметить каких-либо признаков старения. Люди стареют очень медленно по сравнению со сроком жизни мотылька-однодневки. Но мотылек видит вокруг себя множество различных людей: среди них есть женщины и мужчины, высокорослые и низкие, светловолосые и темноволосые. Мотылек не знает, наблюдает ли он разных людей или же все люди одинаковы, а их различия связаны с возрастом. За время своей жизни он успевает увидеть только «моментальный снимок» очень короткий период жизни человечества. Мотылек не знает, вырастают ли маленькие люди со временем или навсегда остаются такими, или может быть светловолосые постепенно становятся темноволосыми, а мужчины превращаются в женщин. Когда мы пытаемся судить о звездах, мы в сущности в таком же положении. Нам удается наблюдать лишь мгновенную картину из истории жизни звезд, причем эти звезды подразделяются на целый ряд классов. Одна из таких не совсем обычных звезд обращается по орбите вокруг Сириуса.

Спутник Сириуса

Сириус является самой яркой звездой ночного неба. В 1844 г. директор обсерватории в Кенигсберге Фридрих Вильгельм Бессель заметил, что Сириус периодически, хотя и очень слабо, отклоняется от прямолинейного перемещения по небесной сфере (рис. 1.1). Отсюда Бессель заключил, что у Сириуса должен быть спутник, причем обе эти звезды должны обращаться вокруг своего центра масс примерно за 50 лет. Но в то время оставались еще некоторые сомнения в справедливости такого вывода, поскольку второй звезды никто никогда не видел. В январе 1862 г. Элвин Джордж Кларк, известный конструктор телескопов из Кембридж-Порта в Америке, проверял оптическую систему своего телескопа, установленного им в обсерватории в Чикаго. Направив свой телескоп на Сириус, Кларк заметил в непосредственной близости от него очень слабую, но заметную звездочку. Это был спутник Сириуса, существование которого предсказал Бессель.

Рис. 1.1. Перемещение Сириуса по звездному небу в интервале от 1900 до 1985 г. Все так называемые неподвижные звезды, в их числе и Сириус, медленно движутся по небесной сфере. На рисунке показано, как Сириус перемещается из точки слева вверху в точку справа в нижней части рисунка. Взаимные перемещения звезд обусловлены тем, что они движутся в нашей Галактике не совсем так, как Солнце. Из рисунка видно, что на это равномерное перемещение Сириуса накладываются периодические возмущения, повторяющиеся каждые 50 лет. Особенно заметны отклонения в 1940 г. Следует отметить, что как равномерное перемещение, так и тем более его возмущение крайне малы. Это хорошо видно по указанному в нижней части рисунка масштабу. За таким перемещением можно проследить только с помощью очень точных инструментов. Закономерно повторяющиеся возмущения траектории Сириуса объясняются тем, что вокруг него обращается слабо светящаяся звезда-спутник, которая каждые 50 лет особенно близко подходит по своей орбите к Сириусу А и наиболее заметно искажает его движение в межзвездном пространстве.

Сегодня мы уже существенно больше знаем об этих двух звездах. Они совершают один оборот вокруг своего центра масс за 49,9 лет. Изучение перемещений этой двойной системы дало много сведений о двух связанных друг с другом звездах. Более яркая звезда ее называют Сириус А в 2,3 раза тяжелее Солнца. Открытая чуть больше ста лет назад вторая звезда, Сириус В, содержит меньше вещества примерно столько же, сколько наше Солнце. Однако звезды Сириус А и Сириус В резко отличаются друг от друга. Сириус А примерно в два раза больше по размерам, чем наше Солнце; один кубический сантиметр этой звезды содержит примерно четверть грамма вещества немного меньше, чем один кубический сантиметр Солнца, масса которого близка к одному грамму. Сириус В совершенно иная звезда. Ее радиус равен примерно одной сотой солнечного, а поскольку масса его близка к массе Солнца, то вещество в его недрах примерно в миллион раз плотнее. Каждый кубический сантиметр Сириуса В содержит около 1000 килограммов вещества. Таким образом, в системе Сириуса связаны две совершенно разных звезды! Звезд, похожих по свойствам на Сириус В, достаточно много, они встречаются не только в двойных системах, но и поодиночке. Большинство из них имеют высокую температуру поверхности и излучают белый свет. Из-за малых размеров их называют белыми карликами.

Красный сверхгигант в созвездии Возничего

В белых карликах вещество в миллион раз плотнее, чем на Солнце. Однако мы знаем и звезды, существенно более разреженные по сравнению с Солнцем. Некоторые из них, подобно Сириусу, образуют двойные системы с другими звездами, что и позволило нам изучить эти интересные звезды с низкой плотностью вещества.

Астрономы всегда очень рады, когда им удается обнаружить две звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс. Это движение позволяет вычислить, какова масса этих звезд, которая определяет гравитационные силы, связывающие их между собой. Особенно важны те системы, в которых звезды расположены таким образом, что, двигаясь по своим траекториям, они время от времени частично закрывают друг друга. Существует множество двойных систем, в которых наблюдаются такие затмения. В этих системах обе звезды расположены так близко друг от друга, что даже лучшие телескопы не позволяют увидеть их по отдельности, а их свет сливается в одну яркую точку. Но если одна из таких звезд иногда закрывает другую, то общая яркость двойной системы понижается, и мы видим, что яркость светящейся точки на ночном небе уменьшилась, поскольку одна из звезд скрылась за другой. Яркость вновь возрастает, когда звезды перестают закрывать друг друга. Такие пары звезд называют затменно-двойными, поскольку их яркость меняется с течением времени.

Астрономы могут зарегистрировать, насколько сильно и с какой скоростью возрастает и уменьшается яркость затменно-двойных систем, а также, как различаются затмения двух типов, когда закрывающая и закрываемая звезды меняются ролями. Все эти данные позволяют сделать выводы о природе таких звезд. Здесь мы рассмотрим одну из затменно-двойных систем, открытую в 30-х годах. Она дала возможность изучить звезды, принадлежащие к числу так называемых сверхгигантов. Эта двойная система позволила узнать о сверхгигантах существенно больше, чем надеялись астрономы. Речь идет о звезде из созвездия Возничего. Она называется Дзета Возничего. Астрономы уже давно знали, что эта звезда двойная, хотя компоненты этой двойной системы (в отличие от Сириуса) не видны в телескоп. Изучение ее спектра показало, что система состоит из двух звезд: горячей и холодной. Поэтому астрономы пришли к выводу, что эта система двойная, и предположили, что она может быть затменно-двойной.

Зимой 1931/32 г. астроном Иозеф Хопман и ученый из Бабельсберга Хериберт Шнеллер изучали эту звезду в обсерватории в Лейпциге с помощью фотометра, который позволял точно измерять яркость звезд. Это позволило им сделать открытие. Примерно за 24 часа яркость звезды упала на 65 % (рис. 1.2). Затем в течение 37 дней яркость звезды не менялась, после чего за 24 часа она вновь возросла до нормального уровня. Этот процесс повторяется каждые 972 дня. Изучение последующих циклов затмения в этой системе позволило получить много сведений. Перечислим главные из них: горячая звезда Дзета Возничего В имеет температуру поверхности примерно 11 тысяч градусов и по размерам приблизительно в три раза больше Солнца. Ее масса примерно в 10 раз больше солнечной. Более холодная звезда Дзета Возничего А имеет температуру поверхности всего лишь около 3400 градусов. Вспомним, что температура поверхности Солнца составляет примерно 5800 градусов.[2] Дзета Возничего А по массе в 22 раза больше Солнца, а ее радиус-и это самое интересное-в 200 раз больше солнечного! Эта звезда настолько велика, что в ее объеме может поместиться не только Солнце, но и вся орбита Земли! Минимум яркости наблюдается, когда горячая звезда скрывается за красным гигантом и 37 дней остается позади него (рис. 1.3). Когда горячая звезда находится перед холодной, она закрывает лишь небольшую долю его видимой поверхности. Закрытая часть поверхности большой звезды вносит пренебрежимо малый вклад в общую светимость системы. Поэтому второе понижение яркости не удается заметить.

Рис. 1.2 Кривая яркости звезды Дзета Возничего. В течение одного дня яркость падает примерно на 65 %. Затем звезда 37 дней светит слабо, после чего в течение дня опять возвращается к нормальной яркости. Через 972 дня это явление повторяется.

Рис. 1.3. Двойная система Дзета Возничего. Так она была бы видна с Земли, если бы ее компоненты можно было различить в телескоп. В действительности обе звезды не удается разрешить, и их свет сливается в одну яркую светящуюся точку. Вклад меньшей звезды составляет более половины общей яркости системы. Поэтому, когда она в течение 37 дней находится позади своего крупного соседа, мы видим только его свет. В это время наблюдаемая общая яркость системы понижается более чем вдвое (см. рис. 1.2). Малая звезда обращается вокруг большой за 972 дня.

А теперь обсудим подробнее звезды, входящие в двойную систему Дзета Возничего. Горячая звезда не слишком сильно отличается от Солнца и от Сириуса А. Она, конечно, тяжелее, а ее диаметр больше, но средняя плотность вещества в ее недрах достаточно близка к плотности Солнца: одна треть грамма в одном кубическом сантиметре. Холодная звезда обладает совсем иными свойствами. В одном кубическом сантиметре ее объема содержится в среднем лишь 3 миллионных доли грамма вещества. Звезды такого типа называют сверхгигантами.

Таким образом, мы познакомились уже с тремя существенно разными сортами звезд:

1. Нормальные звезды — дальше мы будем их так называть, подобные Солнцу, Сириусу А и горячей звезде из системы Дзета Возничего. Средняя плотность вещества в таких звездах изменяется от одной десятой до нескольких граммов на кубический сантиметр.

2. Мы знаем также, что существуют белые карлики с чрезвычайно высокими плотностями вещества — около 1000 килограммов на кубический сантиметр.

3. И наконец, мы узнали, что среди звезд существуют гиганты с плотностью порядка одной миллионной грамма на кубический сантиметр.

Даже в самый большой телескоп звезды этих трех типов видны как крохотные световые точки, которые выглядят почти одинаково и лишь слегка различаются по цвету и яркости. Но, как мы увидели, уже первое знакомство с этими объектами показывает, насколько сильно могут отличаться звезды друг от друга. Чтобы разобраться в этом разнообразии, мы должны навести порядок среди более чем 100 миллиардов звезд, которые вместе с Солнцем образуют нашу Галактику.

Глава 2

Самая важная диаграмма в астрофизике

В предыдущей главе мы увидели, насколько разными могут быть звезды. Среди них есть тяжелые ярко-голубые звезды и красные звезды небольшой массы. На ночном небе можно увидеть большие звезды красного цвета — красные гиганты и сверхгиганты и маленькие белые звезды белые карлики, а нас можно сравнить с мотыльками-однодневками, которые пытаются в этом многообразии увидеть, как происходит эволюция звезд.

Сегодня эта задача уже решена, и эволюция звезд по меньшей мере в основных чертах понятна. Ниже мы увидим, как это удалось астрофизикам. Прежде всего необходимо было навести порядок во всем многообразии наблюдаемых звезд. Для этого надо выбрать характеристики звезд, поддающиеся экспериментальному измерению.

Количественные характеристики звезд

Проще всего количественно оценить температуру поверхности звезд. Эта задача не кажется слишком сложной, поскольку температура непосредственно влияет на цвет звезды. Глядя на звездное небо, мы не подозреваем, что звезды имеют разный цвет. Его можно определить, если сравнивать фотографии небесной сферы, сделанные через фильтры разного цвета. Голубые звезды имеют высокую температуру, красные-низкую. Сам по себе цвет звезды не позволяет точно определить температуру ее поверхности, для этого надо изучить спектр ее излучения. Но в принципе можно определить температуру светящейся поверхности практически для всех достаточно ярких звезд на небе. Она близка к температуре поверхности Сириуса А, главной звезды в двойной системе Сириуса. Ее температура составляет примерно 9500 градусов, и она принадлежит к наиболее горячим звездам. Вблизи туманности Ориона можно найти звезды, температура поверхности которых достигает 20 тысяч градусов. В то же время Бетельгейзе, самая яркая звезда в созвездии Ориона, даже невооруженному глазу видится красной. Следовательно, это холодная звезда; температура ее поверхности составляет 3000 градусов. Вспомним, что температура поверхности Солнца равна примерно 5800 градусам.

Другой важной характеристикой звезды является ее светимость. Она равна энергии, которую звезда излучает за одну секунду в мировое пространство. Светимость нельзя непосредственно определить, наблюдая звезду в телескоп. При этом можно измерить только ее яркость, но нельзя узнать, сколько энергии теряет звезда за единицу времени. Дело в том, что звезды с одинаковой светимостью выглядят на небе по-разному: поскольку они находятся на различном расстоянии от нас, то различается и их яркость. В соответствии с законами распространения света более далекая звезда кажется нам менее яркой, чем близкая звезда с такой же светимостью. Зная яркость звезды на небе, можно вычислить, сколько энергии она теряет в единицу времени, только если известно расстояние до нее. В приложении Б мы говорим о том, как астрономы определяют расстояния до звезд. Для звезд, расстояния которых от Земли известны, можно определить и светимость. Хотя Солнце кажется нам самой яркой из звезд на небе, его светимость по сравнению с другими звездами не слишком велика: наиболее яркие из них светят в 100 тысяч раз сильнее Солнца. Они кажутся на небе почти невидимыми световыми точками, поскольку находятся от нас на очень большом расстоянии. Но среди звезд есть и очень слабые, светимость которых не превышает одной стотысячной доли светимости Солнца.

Таким образом, в нашем распоряжении имеются два важных свойства звезд, которые можно определить численно: температура их поверхности и светимость. Сразу же возникает вопрос, реализуются ли все возможные комбинации этих величин или же они связаны между собой каким-то соотношением? Можно спросить также: существуют ли звезды с высокой светимостью и высокой температурой, с одной стороны, и звезды с высокой светимостью и с низкой температурой — с другой? Встречается ли малая светимость как у горячих, так и у холодных звезд?

Диаграмма Герцшпрунга и Рессела

Астрономы отвечают на все эти вопросы с помощью диаграммы, которая связывает температуру поверхности и светимость. Эта диаграмма помогла найти ключ к законам развития звезд. Поэтому мы вначале подробно остановимся на ее характеристиках. Она носит название своих создателей — датского астронома Эйнера Герцшпрунга и американца Генри Норриса Рессела. Сокращенно диаграмму Герцшпрунга-Рессела называют диаграммой Г-Р. На этой диаграмме по оси ординат отложена светимость звезды, а по оси абсцисс (справо налево) температура ее поверхности (рис. 2.1). Если по цвету звезды определить ее температуру, то в нашем распоряжении будет одна из величин, нужных для построения диаграммы Г-Р. Если известно расстояние до звезды, то по ее видимой яркости на небе можно определить светимость. Тогда в нашем распоряжении будут обе величины, необходимые для построения диаграммы Г-Р, и мы сможем поставить на этой диаграмме точку, которая соответствует нашей звезде. На рис. 2.1 схематически показано положение всех звезд, о которых мы говорили выше. По техническим причинам шкала температур на оси абсцисс неравномерна, но это нас не интересует. Светимость отложена по оси ординат. Число 1000 означает, например, что на этом уровне размещаются звезды, светимость которых в 1000 раз больше светимости Солнца. Солнце помещается на диаграмме напротив светимости 1, а поскольку температура поверхности Солнца составляет 5800 градусов, то оно оказывается почти в середине диаграммы Г-Р. Звезды, светимость которых больше солнечной, лежат выше. Звезды с более низкой светимостью, как, например, Сириус В — белый карлик из системы Сириуса, — лежат ниже. Звезды, которые горячее Солнца, как, например, Сириус А и Дзета Возничего В — горячая звезда из системы Дзета Возничего и Спика из созвездия Девы, лежат слева от Солнца. Более холодные звезды, как Бетельгейзе и красный сверхгигант из системы Дзета Возничего, лежат справа.

Рис. 2.1. Диаграмма Герцшпрунга — Рессела, на которой показаны некоторые уже известные нам звезды. Если известна температура поверхности звезды, то мы можем от соответствующей точки на температурной шкале подняться вверх по диаграмме. Если известна также ее светимость, то мы сможем провести линию слева направо от соответствующей точки на вертикальной шкале. В точке пересечения этих линий и будет расположена наша звезда. В качестве примера такие прямые проведены для Спики (температура поверхности 18000 °C, светимость составляет 10 тысяч светимостей Солнца). Таким же способом выбрано расположение точек для остальных звезд.

Точки на диаграмме Г-Р уже кое-что говорят нам о свойствах звезд. Поскольку холодные звезды излучают красный свет, а горячие — белый или голубой, то на диаграмме справа расположены красные звезды, а слева-белые или голубые. Вверху на диаграмме лежат звезды с большой светимостью, а внизу с малой. Справа вверху, таким образом, расположены холодные звезды с большой светимостью. Один квадратный сантиметр поверхности холодной звезды излучает в секунду очень малое количество энергии. Большая общая светимость звезды объясняется тем, что велика площадь ее поверхности: звезда должна быть очень большой. Поэтому справа вверху на диаграмме Г-Р мы видим большие звезды, их называют красными гигантами и красными сверхгигантами. Действительно, этот факт уже известен нам для одной из таких звезд: главная звезда системы Дзета Возничего так велика, что внутри ее поместилась бы вся орбита Земли.

Точно так же мы можем рассмотреть и левую нижнюю часть диаграммы. Там расположены горячие звезды с низкой светимостью. Поскольку квадратный сантиметр поверхности горячего тела излучает в секунду много энергии, а звезды из левого нижнего угла диаграммы имеют низкую светимость, то мы должны прийти к выводу, что они невелики по размерам. Слева внизу, таким образом, располагаются белые карлики. Одна из таких звезд — спутник Сириуса, который называется Сириус В.

Следовательно, уже из общих соображений можно, зная светимость и температуру поверхности, оценить размер звезды. Температура говорит нам, сколько энергии излучает один квадратный сантиметр поверхности. Светимость, равная энергии, которую излучает звезда за единицу времени, позволяет узнать величину излучающей поверхности, а, следовательно, и радиус звезды.

Прежде чем с помощью диаграммы Г-Р ответить на наш вопрос об эволюции звезд со временем, сделаем еще одно замечание. Дело в том, что измерить интенсивность света, приходящего к нам от звезд, не так-то просто. Атмосфера Земли пропускает не все излучение. Коротковолновый свет (например, в ультрафиолетовой области спектра) не доходит до нас. Но и интенсивность света, прошедшего сквозь атмосферу, можно измерять по-разному. Человеческий глаз воспринимает лишь часть света, излучаемого Солнцем и звездами. Фотоэмульсия тоже чувствительна только к определенным длинам волн. Световые лучи разной длины, имеющие разный цвет, не одинаково сильно воздействуют на сетчатку глаза или фотопластинку. При определении светимости звезд учитывают лишь свет, который воспринимается человеческим глазом. Следовательно, для измерений надо использовать инструменты, которые с помощью цветных фильтров имитируют цветовую чувствительность человеческого глаза. Поэтому на диаграммах Г-Р часто вместо истинной светимости указывают светимость в видимой области спектра, воспринимаемой глазом. Ее называют также визуальной светимостью.[3] Следует сказать, однако, что при переходе от истиной светимости к визуальной диаграмма Г-Р изменяется незначительно. На диаграммах, приведенных в этой книге, указана визуальная светимость в тех случаях, когда на них изображены экспериментальные данные. Если на диаграммах приведены числа, полученные в результате расчетов на вычислительных машинах, то они соответствуют истинной, энергетической (или болометрической) светимости. На всех диаграммах указано, какая из величин светимости имеется в виду.

Ближайшие соседи Солнца

Теперь мы уже знаем все, что нужно для работы с диаграммой Г-Р. Для начала рассмотрим звезды, которые расположены недалеко от Солнца. Мы имеем в виду звезды, от которых свет идет к нам не более 70 лет. Это действительно недалеко, поскольку от наиболее удаленных звезд нашей Галактики свет доходит до нас за 70 тысяч лет. От самых дальних галактик Вселенной свет и радиоволны идут к нам уже многие миллиарды лет: они были испущены этими галактиками еще когда Вселенная была очень молода. Таким образом, звезды, о которых пойдет речь, расположены совсем рядом с нами. Но в то же время расстояние до них существенно больше, чем от Земли до Солнца. Солнечные лучи достигают земной поверхности всего за 8 минут. Самая близкая к нам звезда (она видна на небе в Южном полушарии) называется Проксима Центавра. Свет от этой звезды доходит к нам за 4,5 года.

Близкие звезды особенно важны для нас, поскольку мы можем относительно точно определить расстояния до них (см. приложение Б). Поэтому по их яркости легко вычислить истинную светимость. Мы имеем в виду светимость в видимой области спектра, измеренную с помощью фотометра с цветным фильтром, который имитирует цветовую чувствительность глаза. Температура поверхности измеряется с помощью дополнительного определения яркости с другим цветовым фильтром, как правило, голубого цвета. Зная яркость звезды в голубой области спектра и общую яркость в видимом диапазоне, который сдвинут в красную сторону, можно определить цвет звезды, а, следовательно, и температуру ее поверхности. Для каждой звезды, температура поверхности и светимость в видимой области спектра которой определены таким способом, можно поставить точку на диаграмме Г-Р. На рис. 2.2 приведены данные для звезд соседей Солнца. Хорошо видно, что диаграмма Г-Р заполнена точками неравномерно. Точки для большинства звезд лежат в пределах полосы, которая идет из левого верхнего края рисунка (от голубых звезд с большой светимостью) направо вниз к тусклым звездам красного цвета. Некоторые звезды расположены справа вверху в области красных гигантов. Слева внизу мы видим три белых карлика.

Рис. 2.2. Диаграмма Г-Р для звезд в окрестности Солнца. Большинство звезд имеют такие температуры поверхности и величины светимости, что их точки на диаграмме лежат в пределах узкой полосы, которая тянется из левого верхнего угла направо вниз. Эта полоса называется главной последовательностью. Некоторые звезды расположены справа вверху, они называются красными гигантами. Три звезды лежат слева внизу — это белые карлики.

90 % всех звезд лежат в пределах указанной полосы. Астрономы называют эту полосу главной последовательностью. Сравнение с рис. 2.1 показывает, что Солнце, Сириус и Спика лежат на главной последовательности. В то же время холодные звезды в системе Дзета Возничего, а также Бетельгейзе и спутник Сириуса расположены за пределами главной последовательности. Звезды, которым соответствуют точки на главной последовательности диаграммы Г-Р, астрофизики называют звездами главной последовательности. Они-то в основном и составляют ближайшее окружение Солнца, а гиганты и карлики являются среди них исключениями.

Звезды главной последовательности обладают одним важным свойством, которое связано с их массой. Мы знаем массу звезд лишь для некоторых из этих светил. Ее можно точно определить, только когда вокруг звезды движется спутник. Мы уже знаем, что траектории планет, движущихся вокруг нашего Солнца, позволяют вычислить его массу. Движение спутника Сириуса позволило нам узнать, что Сириус А содержит примерно в 2,3 раза больше вещества, чем Солнце, и что масса его спутника близка к солнечной. Этот метод дал возможность определить массу некоторых звезд (принцип, лежащий в его основе, коротко изложен в приложении В). Наиболее тяжелые звезды главной последовательности содержат примерно в 30–50 раз больше вещества, чем Солнце. Масса самых маленьких звезд составляет несколько десятых солнечной массы.

Для звезд главной последовательности, масса которых была определена по движению их спутников, выполняется важная закономерность: в каждой точке главной последовательности расположены звезды с определенной массой (рис. 2.3). Звезды с малой массой расположены внизу, а наиболее тяжелые звезды-вверху. Если идти вдоль главной последовательности снизу вверх, то масса звезд постепенно возрастает. Поскольку при этом увеличивается и светимость звезд на диаграмме Г-Р, то можно сказать: чем выше светимость звезды главной последовательности, тем больше ее масса. Если сравнить две звезды главной последовательности, то у звезды с большей светимостью и масса будет больше. Пойдем и дальше: массу звезды можно непосредственно определить по ее светимости, если известно, что звезда принадлежит к главной последовательности. На рис. 2.4 показано, как возрастает светимость с увеличением массы звезд главной последовательности. Астрономы называют эту закономерность диаграммой масса-светимость. В частности, эта закономерность выполняется для звезд, которые нам уже знакомы: речь идет о Солнце, Сириусе А и Спике, которые принадлежат к главной последовательности. Для белого карлика Сириус В этот закон не выполняется — звезда не лежит на главной последовательности.

Рис. 2.3. Диаграмма Г-Р с главной последовательностью (она схематически показана красной линией). В каждой точке главной последовательности расположены только звезды с определенной массой. (Астрономы часто пользуются массой Солнца в качестве единицы измерения. Для нее принято пользоваться символом М.)

Рис. 2.4. Если построить диаграмму, по вертикальной оси которой отложена светимость, а по горизонтальной масса звезды, то звезды главной последовательности будут лежать в пределах узкой полосы: чем больше масса звезды, тем больше ее светимость. Такая кривая называется соотношением между массой и светимостью. Но это соотношение выполняется только для звезд главной последовательности. Показанный на диаграмме спутник Сириуса (Сириус В) имеет меньшую светимость, чем звезда главной последовательности с равной массой. Спутник Сириуса не попадает на показанную зависимость.

Таким образом, мы установили определенный порядок среди звезд, расположенных неподалеку от Солнца, и нашли две закономерности: на диаграмме Г-Р существует главная последовательность, а для звезд этой главной последовательности имеется определенная связь между массой и светимостью.

Что же теперь можно сказать о развитии звезд? Вернемся к нашей аналогии с мотыльком-однодневкой. Мы видим звезды с различными свойствами. Так же и мотылек-однодневка видит, что люди отличаются друг от друга. Для главной последовательности мы установили определенный закон, описывающий свойства звезд, но пока не знаем, что это означает. Мотылек-однодневка тоже может разделить людей на определенные классы по некоторым признакам, например по величине их ушей, но при этом он ничего не сможет сказать о том, как люди изменяются с годами.

Но мы можем помочь нашему мотыльку одной подсказкой. Мы скажем ему, что школьные классы состоят из людей одинакового возраста. Это и позволит мотыльку прийти к выводу, что пол и цвет волос никак не связаны с возрастом и что люди разного пола и с разным цветом волос просто различаются по некоторым индивидуальным признакам. В то же время он заметит, что размеры тела тесно связаны с возрастом. К счастью, астрономы тоже сумели найти на звездном небе «школьные классы», которые состоят из звезд одинакового возраста.

Звездные скопления — «школьные классы» небесных светил

Иногда звезды образуют на небе группы, которые называются звездными скоплениями. Некоторые из них были известны уже в древности. Так, например, греческие и римские поэты упоминают группу из семи звезд, Плеяды (рис. 2.5). Невооруженным глазом можно увидеть шесть из них. В действительности в этом скоплении есть по крайней мере 120 более слабых звезд и, вероятно, несколько сот еще более слабых. Все звезды Плеяд расположены в относительно небольшой области пространства. Свет пересекает это звездное скопление от одного края до другого всего за 30 лет. Понятно, что Плеяды это очень плотная звездная ассоциация. Они не расположены неподвижно в пространстве, а все вместе летят в одном направлении с одинаковой скоростью. Близкое расположение этих звезд и одинаковая скорость их движения позволяют нам предположить, что звезды Плеяд имеют общую историю возникновения и развития. Иными словами, они образовались одновременно.

Рис. 2.5. Скопление Плеяды (семь звезд). Наиболее яркие звезды возбуждают свечение окружающих газовых масс. На снимке светящиеся облака перекрывают свет ближайших звезд. (Четыре луча, исходящие на снимке от ярких звезд, и светлые круги вокруг звезд обусловлены несовершенством фотографирующей системы.) Кроме ярких звезд, видимых невооруженным глазом, к этому скоплению относятся более 100 звезд. Они движутся в пространстве с одинаковой скоростью и находятся предположительно на равном расстоянии друг от друга.

То же самое относится и к другому звездному скоплению, которое называют Гиадами. Это скопление также известно с глубокой древности. Еще увереннее мы можем говорить об общем происхождении звезд в так называемых шаровых звездных скоплениях, которые содержат от 50 тысяч до 50 миллионов звезд (рис. 2.6). В центральной области таких скоплений плотность расположения звезд примерно в 10 тысяч раз превышает плотность звезд в окрестности Солнца.

Рис. 2.6. Звездное скопление 47 в созвездии Тукана. Снимок получен с помощью зеркального телескопа (1 м.) системы Шмидта на Европейской южной обсерватории в Чили. В этом скоплении звезды расположены так близко друг к другу, что в центральной области сливаются на снимке. Глядя на этот снимок, можно подумать, что звезды в центре такого скопления перекрываются, но на самом деле они расположены достаточно далеко друг от друга.

Какое удивительное зрелище открывается на звездном небе жителям планетной системы, принадлежащей к такому скоплению!

Как распределяются светимости и температуры поверхности у звезд звездных скоплений? Может быть, диаграммы Г-Р таких скоплений похожи на диаграммы для ближайших соседей Солнца (см. рис. 2.2)? Наблюдаются ли среди них звезды главной последовательности? Если рассмотреть их диаграммы Г-Р, то мы увидим существенное отличие. Действительно, в некоторых звездных скоплениях почти все звезды принадлежат к главной последовательности, как, например, в Плеядах (диаграмма Г-Р этого скопления показана на рис. 2.7). Однако в большинстве скоплений только самые слабые звезды относятся к главной последовательности. В этих скоплениях не вся полоса последовательности заполнена звездами. Этот ряд обрывается в области больших светимостей. Наиболее яркие звезды главной последовательности отсутствуют. Вместо них в звездных скоплениях есть красные звезды с большой светимостью: красные гиганты и сверхгиганты, которые показаны, в частности, на диаграмме Г-Р для скопления Гиад (рис. 2.8). Еще интереснее диаграмма Г-Р шарового звездного скопления, приведенная на рис. 2.9. На этой диаграмме звезды заполняют только участок главной последовательности, в то время как точки, соответствующие более ярким звездам, сдвинуты далеко вправо. Звезды разных скоплений можно нанести на одну и ту же диаграмму Г-Р. Такая диаграмма показана на рис. 2.10. На этом рисунке главная последовательность обозначена жирной линией, а при переходе к звездам наибольшей светимости линия, показанная на диаграмме, отклоняется направо вверх. Мы видим, что у разных звездных скоплений линия уходит вправо от главной последовательности в разных точках. Поскольку мы знаем, что при движении вверх по главной последовательности увеличивается масса звезд, то можно сказать, что в каждом звездном скоплении звезды, масса которых меньше определенного значения, лежат на главной последовательности, в то время как в области больших масс главная последовательность не заполнена. Этот факт и позволяет понять, как происходит эволюция звезд.

Рис. 2.7. Диаграмма Г-Р для звездного скопления Плеяды. Показаны только наиболее яркие звезды. Они образуют главную последовательность. В верхней части этой последовательности видно, что при светимостях примерно в 1000 раз больше солнечной звёзды на диаграмме уже отклоняются от главной последовательности вправо.

Рис. 2.8. Диаграмма Г-Р для звездного скопления Гиады. Если главная последовательность в Плеядах (см. рис. 2.1) простирается примерно до светимости в 1000 раз больше солнечной, то в Гиадах главная последовательность обрывается ниже 100 солнечных светимостей. Более яркие звезды главной последовательности отсутствуют. В то же время на диаграмме Г-Р этого скопления наблюдается группа красных гигантов.

Рис. 2.9. Диаграмма Г-Р для звездного скопления МЗ в созвездии Гончих Псов. Это шаровое звездное скопление такого же типа, как скопление 41 Тукана (см. рис. 2.6). На главной последовательности еще находятся звезды, светимость которых всего в 5 раз больше солнечной. Основная часть более ярких звезд не лежит на главной последовательности. Позже мы еще вернемся в этой книге к звездам, которые примерно в 100 раз ярче Солнца. Эти звезды лежат в горизонтальной полосе, которая тянется по шкале температур от 5800 до 13000 градусов. Ее поэтому называют горизонтальной ветвью.

Рис. 2.10. Отклонение звезд различных скоплений от главной последовательности на диаграмме Г-Р (по данным Аллана Сандейджа). Штриховые линии показывают, где расположены звезды разных скоплений. Наиболее высоко на диаграмме простирается скопление в созвездии Персея. Затем оно отклоняется направо вверх. Наиболее короткую главную последовательность имеет шаровое звездное скопление МЗ. Она отклоняется направо уже в нижней части диаграммы. Стрелками слева показано, где лежат на главной последовательности звезды определенной массы. Числами возле стрелок отмечены массы в единицах массы Солнца М. Таким образом, звездное скопление в созвездии Персея содержат звезды главной последовательности до 10–15 масс Солнца, в то время как наиболее тяжелые звезды главной последовательности шарового скопления МЗ всего в 1,3 раза тяжелее Солнца.

По мере того как звезда развивается со временем и стареет, изменяются и ее свойства. В частности, изменяются температура ее поверхности и светимость. Точка, которая обозначает звезду на диаграмме Г-Р, перемещается. Так, например, если звезда вначале была красным гигантом, а через миллионы лет превратилась в белый карлик, то соответствующая точка на диаграмме Г-Р сдвинется из правого верхнего угла в левый нижний. Если бы мы жили достаточно долго и могли в течение миллионов и миллиардов лет измерять характеристики звезд и наносить их на диаграмму Г-Р, то мы увидели бы, как перемещаются соответствующие точки на ней. Мы узнали бы, что в некоторых областях звезды находятся долго, а другие области пересекают очень быстро. Мы бы построили пути развития звезд на диаграмме Г-Р (их еще называют эволюционными треками).

Но перед нами есть только «мгновенный снимок». Мы видим лишь, где расположены звезды на диаграмме в настоящее время.[4] При этом оказывается, что ближайшие соседи Солнца находятся на главной последовательности. Что это значит? Быть может, точки на диаграмме Г-Р особенно медленно перемещаются в полосе, где расположена главная последовательность? Может быть, они долго находятся в этой области? Тогда при наблюдении за звездами разного возраста окажется, что особенно много таких звезд расположено в этой полосе.

Этот эффект мы знаем из нашего повседневного опыта. Почему в мире взрослых больше, чем детей? Потому что детство продолжается всего около 15 лет, в то время как взрослым человек остается около 50 лет. Если собрать вместе группу людей разного возраста, например жителей нашего города, то окажется, что большинство из них находится на «взрослой стадии развития». Возникает вопрос: может быть, на главной последовательности звезды находятся достаточно долго?

Вспомним, что и Солнце расположено на главной последовательности. Мы знаем, что за многие миллиарды лет Солнце относительно мало изменилось и все это время оно принадлежит к главной последовательности. Мы видели, что энергия, запасенная в водороде солнечных недр, позволяет очень долго поддерживать его излучение. Может быть, и все звезды главной последовательности светят за счет превращения водорода в гелий? Может быть, и они, имея такой источник энергии, очень долго остаются неизменными, и по этой причине так плотно заполнена звездами полоса главной последовательности на диаграмме Г-Р?

Предположим, что все звезды главной последовательности светят за счет одного и того же энергетического источника: превращения водорода в гелий. Раньше мы уже подсчитывали для Солнца и Спики, сколько могут светить эти звезды. Предположим, что водород составляет около 70 % массы звезды и что ядерное горючее в звездных недрах начинает исчерпываться, когда в гелий превратится уже 10 % водорода. Тогда мы получим, что продолжительность жизни Солнца составит примерно 7 миллиардов лет, в то время как Спика, масса которой больше солнечной в 10 раз, а светимость в 10 тысяч раз, будет светить с неизменной силой всего несколько миллионов лет. Такие же оценки можно провести для любой звезды главной последовательности. При этом мы узнаем, сколько времени ее светимость будет поддерживаться за счет реакций превращения водорода в гелий. Возьмем для примера какую-либо звезду на главной последовательности, показанной на рис. 2.3. По диаграмме Г-Р мы можем определить ее светимость, а по соотношению между светимостью и массой для звезд главной последовательности (рис. 2.4) вычислим ее массу, которая соответствует известной величине ее светимости. Если сравнить величину ядерной энергии, запасенной в данном количестве звездного вещества, с болометрической светимостью звезды (а это количество энергии, излучаемой в космическое пространство за одну секунду), то мы узнаем время, в течение которого может поддерживаться эта светимость. На рис. 2.11 возле главной последовательности обозначены времена жизни звезд, вычисленные таким способом. Данные, приведенные выше для Спики, тоже помещены на рисунке. Мы видим, что чем больше масса звезды на главной последовательности, тем быстрее отдает она свою энергию и тем короче время, в течение которого она светит за счет ядерного горения водорода.

Рис. 2.11. Главная последовательность на диаграмме Г-Р. Слева показано стрелками, в каких точках диаграммы расположены звезды определенной массы (в единицах массы Солнца М). Поскольку масса Солнца определяет запасы ядерного горючего; го, зная для каждой точки главной последовательности светимость звезд, можно определить время, в течение которого звезда, расположенная в определенном месте главной последовательности, сможет светить за счет превращения водорода в гелий. Эти отрезки времени отмечены стрелками справа. Звезды, которые более чем в 39 раз тяжелее Солнца, исчерпывают свой водород уже за 1 миллион лет. Звезды в 2 раза легче Солнца могут светить целых 100 миллиардов лет. Сравнение с рис. 2.10 позволяет определить возраст звездных скоплений.

Когда всю жизнь занимаешься звездами, начинаешь замечать, как велико сходство между ними и людьми. Вот и здесь мы видим, что чем больше масса, тем короче продолжительность жизни!

Возраст звездных скоплений

Если рассмотреть группу звезд в главной последовательности, которые существуют за счет сжигания водорода, причем звезды эти будут разной массы, но одинакового возраста, то прежде всего мы заметим исчерпание ядерного горючего у наиболее тяжелых звезд из верхней части главной последовательности. С течением времени запасы энергии будут заканчиваться у все более легких звезд. Спустя 7 миллиардов лет запасы водорода исчерпаются и у звезд с массой, равной массе Солнца.

Можно ли заметить этот эффект, наблюдая звездные скопления? Посмотрим еще раз на диаграмму Г-Р скопления Гиад (рис. 2.8). Основная последовательность этого звездного скопления заполнена вплоть до светимости в 20 раз больше визуальной светимости Солнца. Это соответствует массам, которые в 2,5 раза больше солнечной. Продолжительность горения водорода в таких звездах составляет около 800 миллионов лет (см. рис. 2.11). Если группа звезд одинакового возраста существует 800 миллионов лет с начала ядерной реакции превращения водорода в гелий, то у звезд с массой в 2,5 раза больше массы Солнца запасы водорода уже подойдут к концу, в то время как звезды меньшей массы все еще будут жить за счет сжигания водорода. Быть может, именно по этой причине верхняя часть главной последовательности в скоплении Гиад не занята?

В других звездных скоплениях главная последовательность обрывается при иных значениях светимости, а значит, и массы. Так, например, в скоплении Плеяд существуют звезды главной последовательности со светимостью в 140 раз больше солнечной. Это соответствует звездам примерно в 6 солнечных масс, продолжительность жизни которых при сжигании водорода составляет только 100 миллионов лет. Звезды с наиболее высокой яркостью лежат на диаграмме Г — Р Плеяд не совсем точно на главной последовательности. Они немного смещены вправо. Это говорит о первых признаках исчерпания водорода. Таким способом мы можем установить, какие из звездных скоплений старше, а какие моложе. Для этого надо посмотреть на их диаграммы Г-Р и определить, до какой массы заполнена главная последовательность. На рис. 2.10 схематически показано для нескольких звездных скоплений, где прерывается у каждой из них главная последовательность: звездное скопление в созвездии Персея оказалось самым молодым. В этом скоплении главная последовательность заполнена вплоть до светимостей в 1000 раз больше солнечной. Поэтому возраст этого скопления составляет всего 10 миллионов лет. Затем идут Плеяды, еще старше Гиады, и, наконец, самое старое из этих скоплений шаровое скопление МЗ в созвездии Гончих Псов. В этом скоплении главная последовательность заполнена всего лишь до звезд, светимость которых близка к 3 светимостям Солнца. Наиболее яркая звезда главной последовательности всего в 1,3 раза тяжелее Солнца. Если такие небольшие звезды уже готовятся покинуть главную последовательность, то это значит, что возраст скопления МЗ составляет примерно 6-10 миллиардов лет.

Как узнать, на самом ли деле уход звезд в скоплениях с главной последовательности на диаграмме Г-Р означает, что в них исчерпались запасы водорода? Если это так, то мы уже в значительной мере знаем, как развиваются звезды. А именно, звезда остается на главной последовательности до тех пор, пока не исчерпаются запасы водорода в ее недрах. Затем она перемещается направо, в область красных гигантов. Поэтому звезды, покинувшие главную последовательность, находятся справа от нее. Если все это верно, то возникает новый вопрос: каков возраст самых старых звездных скоплений и насколько молоды самые молодые? Что происходит со звездами, когда в их недрах еще не началось ядерное горение водорода? Какие процессы протекают, когда запасы водорода заканчиваются? Хотя мы уже знаем, что уйдя с главной последовательности, звезды становятся красными гигантами, однако они не могут оставаться в этой области очень долго, поскольку их ядерная энергия уже в значительной мере израсходована.

При этом все время следует помнить: пока мы всего лишь предположили, что свойства звезд в звездных скоплениях объясняются исчерпанием запасов ядерной энергии. Хотя эта гипотеза хорошо согласуется с результатами наблюдений, однако мы все еще не можем уверенно сказать, достаточно ли велики температуры и плотности вещества в недрах звезд, чтобы там могли протекать ядерные реакции. Температура на поверхности звезд далеко не достаточна для этого. Откуда мы можем узнать, какие температуры достигаются в звездных недрах? Свет, который поступает к нам от звезд, несет информацию о тонком поверхностном слое. Так, например, у Солнца свет исходит из «атмосферы», масса которой составляет всего одну сотую миллиардной доли общей массы Солнца. Глубже этого слоя мы ничего не видим. И тем не менее мы можем сказать о недрах Солнца больше, чем о недрах нашей Земли. Чем объясняется такой парадокс, мы узнаем в следующей главе.

Глава 3

Звезды-ядерные реакторы

Пока мы еще не можем окончательно утверждать, что звезды светят за счет протекающих в их недрах ядерных реакций. Хотя до сих пор нам не было известно другого столь же мощного источника энергии, мы не вправе утверждать, что его не может быть. Разве нельзя предположить, что будущее развитие физики позволит открыть новые, неизвестные нам возможности получения энергии? Может быть, этот источник энергии уже описан в одном из научно-фантастических романов? В предыдущей главе мы показали, что некоторые свойства звезд хорошо описываются в предположении, что в их недрах происходят ядерные реакции с выделением энергии. В этой и следующей главах мы узнаем, что это предположение правильно. Нам не нужно искать новые, еще не известные источники энергии. Физики-ядерщики окончательно объяснили астрономам, почему светят звезды. При этом еще в начале 20-х годов физики не верили, что в звездных недрах могут идти ядерные реакции! Таков был уровень знаний того времени.

Строение атома

Все, что нас окружает, горные породы и минералы, вещества в атмосфере и в морях, клетки растений и животных, газовые туманности и звезды во Вселенной во всем их многообразии все это состоит из 92 элементарных кирпичиков, химических элементов. Этот факт был установлен наукой девятнадцатого столетия, которая тем самым сильно упростила картину окружающего нас мира. Ученые нашего века в свою очередь показали, что существует всего три типа элементарных частиц, из которых построены атомы этих 92 элементов: протоны, нейтроны и электроны. Так, например, атомы гелия отличаются от атомов углерода только тем, что они состоят из разного количества этих элементарных частиц (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема строения атомов водорода, гелия и углерода. Протоны изображены красными шариками, нейтроны — серыми. Траектории электронов (показаны светло-серыми шариками), обращающихся вокруг ядер, изображены в другом масштабе. Шесть электронов, обращающихся вокруг ядра углерода, не показаны.

Атом гелия состоит из ядра, которое содержит два протона и два нейтрона. Протон-это положительно заряженная частица. Поэтому ядро атома гелия тоже заряжено положительно. Вокруг него стремительно вращаются две отрицательно заряженные легкие частицы, два электрона. Они образуют электронную оболочку атома гелия. Атомы углерода обладают более сложной структурой. Они тоже состоят из ядра, которое содержит протоны и нейтроны. Однако в ядре атома углерода уже шесть протонов и шесть нейтронов, а в электронной оболочке находятся шесть электронов. Самым простым атомом является атом водорода. Его ядро состоит всего из одного протона, вокруг которого обращается один электрон.

Протон и нейтрон имеют почти одинаковые массы. Их называют тяжелыми частицами, хотя по сравнению с обычными предметами, которые нас окружают, эти «тяжелые» частицы почти ничего не весят. Если бы мы могли положить на чашу весов триллион таких тяжелых частиц, то они весили бы всего одну триллионную долю грамма. Масса электрона еще в две тысячи раз меньше массы протона. Протон заряжен положительно, электрон — отрицательно. При этом заряды электронов и протонов в точности равны друг другу. Образованный из протона и электрона атом водорода электрически нейтрален. Нейтрон не имеет электрического заряда. Существует также элементарная частица с массой, равной массе электрона, и положительным электрическим зарядом: позитрон. Однако время жизни позитрона невелико: если он приблизится к какому-либо электрону, то электрон и позитрон тут же сливаются друг с другом и аннигилируют с образованием кванта света.

Все атомы и ядра состоят из определенного количества протонов и нейтронов. Сколько протонов находится в ядре, столько же электронов обращается вокруг ядра в электронных оболочках. Поэтому положительный заряд протонов ядра в точности компенсируется отрицательным зарядом электронов. Собственно говоря, дело обстоит еще проще. Если быть точным, то атомы состоят не из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, а всего из двух. В атомных ядрах протоны и электроны могут превращаться в нейтроны. За пределами атомного ядра нейтрон примерно через 17 минут распадается на протон и электрон. Поэтому можно считать, что окружающий нас мир во всем его многообразии построен только из протонов и электронов. Сумма количества протонов и нейтронов в атомном ядре называется массовым числом ядра, а количество протонов — зарядом ядра. Таким образом, атом водорода имеет массовое число 1 и заряд ядра 1. У гелия массовое число равно 4, а заряд ядра 2. Наиболее распространенный тип атомов железа имеет массовое число 56, а заряд ядра 26. Заряд ядра показывает также, сколько электронов должно обращаться вокруг ядра, чтобы атом был полностью электрически нейтральным. Строение электронных оболочек определяет химические свойства веществ. Вещества с различными зарядами ядра различаются по химическим свойствам из-за того, что у атомов этих веществ разные электронные оболочки. Атомы с одинаковым зарядом ядра, но с различным числом нейтронов, не различаются по химическим свойствам. Они различаются только массовым числом. Такие атомы называются изотопами одного и того же элемента. Так, например, кроме обычного водорода существует так называемый тяжелый водород. В ядре этого изотопа кроме одного протона есть еще и один нейтрон. Такой изотоп водорода называется дейтерием. Он в небольших количествах встречается в природе.

Хотя кусок железа и газообразный водород в воздушном шарике не имеют на первый взгляд между собой ничего общего, однако атомы и того и другого элемента построены из одних и тех же протонов и электронов. Если бы мы могли взять 56 атомов водорода и расположить 56 протонов и 56 электронов этих атомов в нужном порядке: из 30 электронов и 30 протонов сделать 30 нейтронов, объединить эти нейтроны с оставшимися 26 протонами в атомное ядро, и построить вокруг этого ядра электронную оболочку из остальных 26 электронов, то мы получили бы из водорода атом железа.

Если бы мы могли взять 4 атома водорода, образовать из двух электронов и двух протонов два нейтрона, объединить их с двумя оставшимися протонами в атомное ядро, то мы получили бы ядро с массовым числом 4 и зарядом 2, вокруг которого смогли бы обращаться два оставшихся электрона. При этом из четырех атомов водорода мы получили бы атом гелия. В результате такого процесса должна освобождаться энергия. Однако объединить ядра разных атомов друг с другом не так-то просто.

Артур Эддингтон и источник энергии звезд

Сэр Артур Эддингтон занимал знаменитую кафедру астрономии в Кембриджском университете («Plumian Professorship»). В 1926 г. он опубликовал свою книгу «The Internal Constitution of the Stars» («Внутреннее строение звезд»). В этой книге были блестяще изложены представления того времени о физических основах процессов, происходящих в звездах. Сам Эддингтон внес существенный вклад в формирование этих представлений. Еще до него в принципе было ясно, как функционируют звезды. Однако не было точно известно, откуда берется энергия, которая поддерживает излучение звезд.

Уже тогда было понятно, что богатое водородом звездное вещество может быть идеальным источником энергии. Ученые знали, что при превращении водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звезды могут светить миллиарды лет. Таким образом, было ясно, что если бы удалось разобраться, в каких условиях идет слияние атомов водорода, то был бы найден великолепный источник энергии звезд. Однако наука тех лет была еще очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в экспериментальных условиях.

Астрофизикам того времени оставалось только верить, что звезды представляют собой гигантские ядерные реакторы. Действительно, нельзя было себе представить никакого другого процесса, который мог бы обеспечить энергией излучение Солнца в течение миллиардов лет. Наиболее последовательно это мнение выразил Эддингтон. Он исходил из многочисленных и многократно повторенных измерений светимости звезд, которые проводили астрономы-наблюдатели. Эддингтон писал в своей книге: «Измерения количества ядерной энергии, освобождающейся в недрах звезд, являются одним из важнейших результатов астрономических наблюдений, и если в моей книге все правильно, то тогда мы хорошо себе представляем, каковы должны быть плотность и температура вещества, чтобы могли происходить эти процессы». К сожалению, физики того времени считали, что атомные ядра в звездах не могут реагировать друг с другом.

Эддингтон уже тогда смог рассчитать, какая температура должна наблюдаться в недрах Солнца. Частицы вещества, из которого образовано Солнце, удерживаются вместе силами гравитационного взаимодействия (силами тяжести). Сила тяжести притягивает вещество к центру Солнца. Этой силе препятствует давление газа, из которого образовано Солнце. В противном случае все вещество Солнца сжалось бы вблизи его центра. Сила давления расталкивает частицы вещества и действует против силы тяжести. Обе силы должны находиться в равновесии. Примерно то же самое можно сказать об атмосфере Земли. Если бы не существовало силы тяжести, то весь воздух улетел бы под воздействием давления в межпланетное пространство. Если бы, наоборот, сила тяжести существовала, а давление газа отсутствовало, то все атомы газовой оболочки притянулись бы к поверхности Земли. В случае Солнца можно вычислить силу тяжести, которая действует на солнечное вещество. Сила газового давления должна уравновешивать эту силу тяжести. Давление газа зависит от его плотности и температуры. Плотность солнечного вещества можно рассчитать, зная массу Солнца и его объем. Каково же теперь будет давление солнечного вещества? Оно зависит от температуры. Чем горячее газ, тем выше его давление. Какова должна быть температура газа внутри Солнца, чтобы давление этого газа уравновешивало силу тяжести?

Эддингтон определил, что температура в центре звезд должна составлять примерно 40 миллионов градусов. Такая температура кажется нам очень высокой, но физики-ядерщики считали, что ее недостаточно для протекания ядерных реакций. При этой температуре атомы во внутренних областях Солнца перемещаются относительно друг друга со скоростями около 1000 километров в секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже теряют свои электроны, протоны свободно перемещаются в пространстве. Представим себе, что два протона налетают друг на друга. Однако оба протона заряжены положительно, поэтому они взаимно отталкиваются. При скоростях 1000 километров в секунду протоны могут приблизиться друг к другу на очень малое расстояние, но под воздействием силы электрического отталкивания они разлетаются прежде, чем смогут объединиться в одно ядро. Кроме того, чтобы образовать ядро гелия из атомов водорода, должны одновременно столкнуться четыре протона и два электрона всего шесть частиц. Эти шесть частиц должны одновременно встретиться в одной точке. Такой процесс можно считать практически невероятным. Даже если все шесть частиц случайно будут лететь друг к другу, силы электрического взаимодействия искривят их траектории и они не смогут объединиться в одно ядро. Только при температурах свыше 10 миллиардов градусов частицы движутся с такими скоростями, что, несмотря на силы электрического отталкивания, они могут приблизиться друг к другу и слиться. Солнце с температурой 40 миллионов градусов казалось физикам в двадцатые годы слишком холодным, чтобы в его недрах могло происходить превращение водорода в гелий. Однако Эддингтон был убежден, что только ядерная энергия может поддерживать излучение звезд. Он упрямо писал: «Мы не желаем дискутировать с теми, кто считает, что звезды недостаточно горячи для такого процесса, а говорим им: „Идите и поищите более горячее место“».[5] Мнение физиков об условиях, в которых гелий может образовываться из водорода, казалось ему тогда не слишком убедительным. Он больше доверял своим звездам и считал, что физики должны продолжать исследования и тогда они со временем смогут понять, как при относительно низких температурах около 40 миллионов градусов водород может превращаться в гелий. Эддингтон оказался прав.

Георгий Гамов и его туннельный эффект

Примерно в то же время, когда Эддингтон упорно настаивал в своей книге, что в звездах водород превращается в гелий, начался великий переворот в физике. Главными действующими лицами этого переворота были Луи де Бройль в Париже, Нильс Бор в Копенгагене, Эрвин Шрёдингер в Цюрихе и гёттингенские физики. Это были золотые двадцатые годы — годы расцвета гёттингенской школы физиков, руководимой Максом Борном, одним из основателей квантовой механики. Многие молодые физики, которые в то время съехались в Гёттинген со всего света, стали впоследствии знаменитыми учеными: Вернер Гейзенберг и Роберт Оппенгеймер, Поль Дирак и Эдвард Теллер. Одним из них был молодой выходец из России Георгий Гамов. Он занимался проблемой радиоактивности, а также вопросами естественного радиоактивного распада атомных ядер.

Существуют химические элементы, ядра атомов которых могут самопроизвольно распадаться. Из урана образуется при этом торий, из тория радий, который в свою очередь тоже распадается. Ядро наиболее широко распространенного изотопа радия состоит из 88 протонов и 138 нейтронов. Ядро радия испускает через определенное время два нейтрона и два протона. При этом масса ядра радия уменьшается. Четыре элементарные частицы, которые вылетают из ядра радия при радиоактивном распаде, остаются соединенными друг с другом. Они образуют ядро гелия. Было трудно понять, как ядро радия может испустить ядро гелия. Элементарные частицы, образующие ядро радия, размещены в очень малом объеме и притягиваются друг к другу чрезвычайно мощными силами ядерного взаимодействия. Ядерные силы намного превосходят электрическое отталкивание протонов. Если бы ядерных сил не было, то все протоны ядра радия разлетелись бы друг от друга. В то же время ядерные силы имеют очень небольшой радиус действия. Если удалить одну из элементарных частиц ядра достаточно далеко от остальных, то электрическое отталкивание будет преобладать, и частицы разлетятся. Классическая физика считает этот процесс невозможным, поскольку ядерные силы притягивают друг к другу элементарные частицы ядра. Однако в природе такой процесс происходит.

Гамов решил проблему распада радиоактивных атомов. Элементарные частицы в ядре радия действительно связаны друг с другом ядерными силами и не могут, вообще говоря, разлетаться. Однако квантовая механика утверждает, что существует небольшая, но конечная вероятность такого процесса. Хотя это невозможно в рамках классической механики, но часть атомного ядра, несмотря на мощные ядерные силы притяжения, может удалиться от остальных частиц настолько далеко, что возобладают силы электрического отталкивания и продукты реакции разлетятся. Этот процесс кажется невероятным, но он тем не менее происходит. Примерно один раз в тысячу лет атом радия может испустить ядро гелия.

Такое явление называют туннельным эффектом. Этот эффект был предсказан квантовой механикой. Название эффекта можно пояснить с помощью наглядной картины. Элементарные частицы, образующие ядро радия, связаны друг с другом ядерными силами. Они как бы отгорожены от внешнего мира кольцом высоких гор. Элементарные частицы в ядре не обладают достаточной энергией, чтобы перевалить через этот горный хребет. Классическая механика утверждает, что горы непреодолимы. Однако квантовая механика допускает процесс, при котором элементарная частица ядра может внезапно оказаться по другую сторону горного хребта. Иными словами, она как бы проскакивает на ту сторону через туннель, не поднимаясь в гору.

Если туннельный эффект позволяет элементарным частицам покинуть ядро, то, по мнению Гамова, может идти и обратный процесс: частицы из внешнего мира могут проникать в атомное ядро.

Туннельный эффект в звездах

Вернемся, однако, к звездам и к вопросу об источнике их энергии, который еще не был решен в двадцатые годы. Если с ядром радия может происходить процесс, запрещенный классической механикой, то почему подобное явление не может происходить с протонами на Солнце, пусть даже это и противоречит традиционной физике? В случае с ядром радия протоны могут разлетаться, только если они удалены на достаточное расстояние и силы электрического отталкивания превосходят силы ядерного притяжения. Но, несмотря на это, ядро радия распадается. Может быть, и протоны на Солнце могут сливаться друг с другом, хотя на первый взгляд их энергия не позволяет этого сделать?

Загадку об источнике энергии звезд решили физики Роберт Аткинсон и Фриц Хоутерманс. Они воспользовались представлениями Гамова о туннельном эффекте. В марте 1929 г. они послали в редакцию журнала «Zeitschrift fur Physik» статью под названием «К вопросу о возможности образования элементов в недрах звезд». Эта работа начиналась словами: «Не так давно Гамов показал, что из атомного ядра могут вылетать положительно заряженные частицы, тогда как по классическим представлениям их энергия недостаточно велика для этого процесса…» В этой статье Аткинсон и Хоутерманс объяснили, что, хотя в рамках классической физики ядра атомов водорода могут сливаться друг с другом только при температурах в несколько десятков миллиардов градусов, туннельный эффект допускает вероятность такого процесса уже при относительно низких температурах, существующих в недрах звезд. Хотя в звездах положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга и это электрическое поле напоминает высокие горы, препятствующие сближению протонов, протоны все же, пусть и очень редко, могут сблизиться друг с другом, словно пройдя под горами по туннелю. Сближение протонов происходит, несмотря на то, что энергия мала, чтобы они могли перевалить через «горную цепь» электрического отталкивания. Вероятность такого процесса не слишком велика, однако туннельный эффект позволяет протонам сливаться друг с другом в недрах звезд достаточно часто, чтобы энергия, которая освобождается при таком процессе, могла поддерживать жизнь звезды. Аткинсон и Хоутерманс подтвердили догадку Эддингтона: Солнце и звезды получают свою энергию за счет превращения водорода в гелий.

Работа Хоутерманса и Аткинсона заложила основы теории термоядерных реакций. Эта теория позволила понять процесс выделения энергии в недрах звезд. Энергетический источник Солнца и других звезд был найден.

Когда Роберт Юнг собирал материал для своей книги «Ярче тысячи солнц», Хоутерманс рассказал ему такую историю: «В тот же вечер, после того как мы закончили нашу статью, я пошел гулять с прелестной девушкой. Когда стемнело и одна за другой стали появляться звезды во всем их великолепии, моя спутница воскликнула: „Как прекрасно они сверкают! Не правда ли?“ Я выпятил грудь и произнес важно: „Со вчерашнего вечера я знаю, почему они сверкают“. Казалось, такое заявление ее не тронуло. Возможно, она не поверила ему. В тот момент она, вероятно, не испытывала ни малейшего интереса к каким бы то ни было проблемам». Такая история рассказана в книге Юнга.

Когда в 1965 г. меня пригласили в Гёттингенский университет, я хотел узнать, живет ли все еще эта дама в Гёттингене. Однако это намерение, как часто бывает, осталось невыполненным. Я встретил ее через семь лет в Афинах. Там происходила научная конференция, куда приехали и Аткинсоны, которые в это время жили в Америке, в Блумингтоне, шт. Индиана. Фрау Аткинсон, жизнерадостная уроженка Берлина, рассказала мне, что Хоутерманс действительно говорил ей про это открытие, но все происходило не так романтично, как описано у Юнга. Я узнал и еще некоторые важные подробности. Я спросил у Аткинсона, как возникла тогда идея этой работы. Он рассказал, что незадолго до этого прочел книгу Эддингтона и задумался над парадоксом выделения энергии в недрах звезд. С одной стороны, температуры в звездах не настолько велики, чтобы ядра атомов водорода могли сливаться друг с другом. С другой стороны, Эддингтон очень убедительно показал, что светимость звезд и Солнца может поддерживаться только за счет энергии ядерных реакций. Аткинсон рассказал об этом Хоутермансу. Прошло некоторое время, Гамов опубликовал свою работу, задача оказалась разрешимой, и они вдвоем решили ее.

С тех пор все узнали, что в звездах могут протекать ядерные реакции. Но какие ядерные реакции? Слияние протонов друг с другом или присоединение протонов к ядрам атомов? И если да, то к каким? Ответ на этот вопрос появился лишь почти через 10 лет.

Углеродный цикл[6]

Как превращается водород в гелий в недрах звезд? Первый ответ на этот вопрос нашли независимо друг от друга Ганс Бете в США и Карл-Фридрих фон Вайцзеккер в Германии. В 1938 г. они обнаружили первую реакцию, которая приводит к превращению водорода в гелий и может обеспечить необходимую энергию для поддержания жизни звезд. Время для этого пришло: 11 июля 1938 г. в редакцию журнала «Zeitschrift fur Physik» поступила рукопись Вайцзеккера, а 7 сентября того же года рукопись Бете поступила в редакцию журнала «Physical Review». В обеих работах излагалось открытие углеродного цикла. Бете и Кричфилд уже 23 июня послали работу, содержащую важнейшую часть протон-протонного цикла.

Этот процесс довольно сложен. Для его протекания необходимо, чтобы в звездах кроме водорода присутствовали и атомы других элементов, например углерода. Ядра атомов углерода играют роль катализаторов. О катализаторах мы хорошо знаем из химии. Протоны присоединяются к ядрам углерода, там же образуются атомы гелия. Затем ядро углерода выталкивает образовавшиеся из протонов ядра гелия, а само остается в результате этого процесса неизменным.

На рис. 3.2 показана схема этой реакции, имеющая вид замкнутого цикла. Рассмотрим эту реакцию, начиная с верхней части рисунка. Процесс начинается с того, что ядро атома водорода сталкивается с ядром углерода с массовым числом 12. Мы обозначаем его как С^12. За счет туннельного эффекта протон может преодолеть силы электрического отталкивания ядра углерода и объединиться с ним. Новое ядро состоит уже из тринадцати тяжелых элементарных частиц. За счет положительного заряда протона заряд исходного ядра углерода увеличивается. При этом возникает ядро азота с массовым числом 13. Его обозначают как N^13. Этот изотоп азота радиоактивен и через некоторое время испускает две легкие частицы: позитрон и нейтрино — элементарную частицу, о которой мы еще услышим. Таким образом, ядро азота превращается в ядро углерода с массовым числом 13, т. е. в С^13. Это ядро снова имеет такой же заряд, как ядро углерода в начале цикла, но его массовое число уже на единицу больше. Теперь мы имеем ядро другого изотопа углерода. Если с этим ядром столкнется еще один протон, то вновь возникает ядро азота. Однако теперь оно имеет массовое число 14, это N^14. Если новый атом азота столкнется с еще одним протоном, то он переходит в О^15, т. е. в ядро кислорода с массовым числом 15. Это ядро тоже радиоактивно, оно вновь испускает позитрон и нейтрино и переходит в N^15 азот с массовым числом 15. Мы видим, что процесс начался с углерода с массовым числом 12 и привел к появлению азота с массовым числом 15. Таким образом, последовательное присоединение протонов приводит к появлению все более тяжелых ядер. Пусть к ядру N^15 присоединится еще один протон, тогда из образовавшегося ядра вылетают вместе два протона и два нейтрона, которые образуют ядро гелия. Тяжелое ядро вновь превращается в исходное ядро углерода. Круг замкнулся.

Рис. 3.2. Превращение водорода в гелий в углеродном цикле реакций. Обозначения элементарных частиц такие же, как на рис. 3.1. Красные волнистые стрелки показывают, что атом испускает квант электромагнитного излучения. Символом е+ обозначены позитроны, ν-нейтрино.

В результате четыре протона объединяются и образуют ядро гелия: водород превращается в гелий. В ходе этого процесса освобождается энергия, которой достаточно для того, чтобы звезды могли светить миллиарды лет. Разогрев звездного вещества происходит не на всех этапах рассмотренной нами цепочки реакций. Звездное вещество разогревается частично за счет квантов электромагнитного излучения, которые передают свою энергию звездному газу, а частично за счет позитронов, которые почти сразу же аннигилируют со свободными электронами звездного газа. При аннигиляции позитронов и электронов тоже образуются кванты электромагнитного излучения. Энергия этих квантов передается звездному веществу. Небольшая часть выделяющейся энергии уносится из звезды вместе с вылетающими нейтрино. О некоторых непонятных вопросах, связанных с нейтрино, речь пойдет в гл. 5.

В 1967 г. Бете была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие углеродного цикла, которое было сделано им в 1938 г. вместе с фон Вайцзеккером. В этом случае Нобелевский комитет, по всей видимости, забыл, что честь этого открытия принадлежит не одному Бете.

Мы знаем, что такое циклическое превращение происходит в присутствии элементов-катализаторов: углерода и азота. Но в звездных недрах не обязательно должны присутствовать все три элемента. Вполне достаточно и одного из них. Если начнется хотя бы одна реакция цикла, то элементы-катализаторы возникнут в результате последующих этапов реакций. Более того, протекание циклической реакции приводит к тому, что возникает вполне определенное количественное соотношение между необходимыми изотопами. Это количественное соотношение зависит от температуры, при которой протекает цикл. Астрофизики могут в настоящее время с помощью своих спектроскопических методов провести достаточно точный количественный анализ космического вещества. По соотношению между количеством изотопов С^12, С^13, N^14 и N^15 часто можно не только установить, что в звездных недрах идет превращение вещества по углеродному циклу, но и при какой температуре происходят эти реакции. Однако водород может превращаться в гелий не только за счет углеродного цикла. Наряду с реакциями углеродного цикла происходят и другие, более простые превращения. Они-то и вносят основной вклад (по крайней мере на Солнце) в выделение энергии. Перейдем к рассмотрению этих реакций.

Протон-протонная цепочка

Для осуществления цикла реакций с участием углерода, о которых шла речь в предыдущем разделе, требуется некоторое количество углерода или азота. При этом сами атомы углерода или азота не участвуют в превращениях, они служат как бы «оболочкой», в которой с течением времени ядра водорода постепенно сливаются в ядра гелия. Однако в 1938 г. Ганс Бете и Чарльз Кричфилд показали, что образование гелия из водорода может происходить и без участия углерода или азота.

Схема этого процесса изображена на рис. 3.3. Два протона сталкиваются друг с другом и сливаются. При этом вылетают позитрон и нейтрино. Образовавшееся ядро состоит уже из одного протона и одного нейтрона. Это ядро имеет такой же заряд, как и ядро водорода, но оно в два раза тяжелее. Такой изотоп тяжелого водорода называют дейтерием. Если ядро водорода столкнется с ядром дейтерия, то они объединяются в атом гелия, который состоит из двух протонов и одного нейтрона. Такое ядро гелия не является «правильным» гелием. Это легкий изотоп Не3. Заряд его ядра совпадает с зарядом ядра гелия, а массовое число на единицу меньше. Если теперь два таких ядра «легкого» гелия столкнутся друг с другом, то при этом образуются «правильное» ядро гелия и два протона. В этой цепи реакций тоже происходит в конечном счете объединение четырех протонов с образованием одного ядра гелия.

Рис. 3.3. Ядерные реакции протон-протонной цепочки. Обозначения элементарных частиц такие же, как на рис. 3.2. В результате этих реакций водород тоже превращается в гелий. На верхней схеме показано, как два ядра водорода сталкиваются и образуют ядро дейтерия. В середине показано, как ядро дейтерия и ядро водорода объединяются в ядро изотопа гелия. При столкновении двух ядер этого изотопа гелия образуется нормальный гелий с массовым числом 4.

Какой же из двух процессов протекает в недрах звезд: углеродный цикл или протон-протонная цепочка? [7]

При достаточно высоких температурах в звездах могут протекать оба процесса. При температуре 10 миллионов градусов происходят в основном реакции протон-протонной цепочки. Если температура существенно выше, то будет преобладать выделение энергии за счет углеродного цикла.

Реакции протон-протонной цепочки были, по всей видимости, особенно важны при образовании первых звезд, возникших в нашей Вселенной, во время так называемого Большого взрыва, образовались только ядра водорода и гелия. Поэтому в первых звездах не было элементов-катализаторов, необходимых для работы углеродного цикла. Следовательно, их существование должно было поддерживаться за счет реакций протон-протонной цепочки. Ядра углерода возникли в недрах звезд позже из ядер гелия. Этот процесс мы рассмотрим в следующем разделе. Только после образования ядер углерода в последующих поколениях звезд появились элементы-катализаторы, которые необходимы для реакций углеродного цикла.

Возникновение более тяжелых элементов

Что происходит в звезде, когда весь водород превратится в гелий? Эдвин Сальпетер, который в настоящее время преподает в Корнельском университете в США, показал, как гелий может превращаться в углерод. Вообще говоря, для этого превращения достаточно трех ядер гелия. Если эти ядра объединятся, то возникнет ядро углерода с массовым числом 12. Однако одновременное столкновение трех ядер гелия практически невероятно. Более вероятен процесс, который идет в две стадии (рис. 3.4). При этом вначале объединяются два ядра гелия и образуется ядро элемента бериллия с массовым числом 8. Этот изотоп бериллия радиоактивен. Возникшее ядро бериллия существует чрезвычайно короткое время, которое даже трудно себе представить. Спустя несколько десятимиллионных частей одной миллиардной доли секунды это ядро снова распадается на два ядра гелия, из которых оно возникло. Но если за этот короткий промежуток времени ядро изотопа бериллия столкнется с третьим атомом гелия, то возникнет устойчивое ядро углерода. Ядра изотопа Be^8 распадаются значительно чаще, чем происходят их столкновения с третьим атомом гелия. Однако в звездном веществе с температурой 100 миллионов градусов такие превращения происходят настолько часто, что освобождающаяся энергия может поддерживать постоянную температуру звезды и ее излучение. Что происходит дальше? При еще более высоких температурах могут объединяться атомы углерода. После объединения они распадаются разными способами на ядра таких элементов, как магний, натрий, неон и кислород. Атомы кислорода могут объединяться с образованием ядер серы и фосфора. Так образуются все более тяжелые атомные ядра. Возникает вопрос, могут ли в недрах звезд постепенно образовываться из водорода и гелия все химические элементы? Мы вернемся к нему в гл. 11. Теперь же нам достаточно знать, что в недрах звезд могут происходить ядерные реакции и прежде всего-превращение водорода в гелий. Они могут протекать в условиях, которые реально существуют во внутренней части звезд, а выделяющаяся энергия позволяет поддерживать излучение звезд в течение длительного времени.

Рис. 3.4. Превращение гелия в углерод. Два ядра гелия сливаются с образованием чрезвычайно радиоактивного ядра бериллия, которое очень скоро снова распадется на два ядра гелия. Ядро изотопа бериллия превращается в ядро углерода (с испусканием кванта света) только в том случае, если за короткое время жизни изотопа Be^8 произойдет его столкновение с еще одним ядром гелия.

Но откуда, собственно, мы знаем про свойства звездных недр? Как нам стала известна температура в центре звезд — там, куда никто не может заглянуть и откуда к нам не поступает непосредственно никакой информации? В следующей главе мы расскажем, почему о звездных недрах мы знаем больше, чем о земных. Будет сказано и о том, какую роль сыграли в этом современные вычислительные машины.

Глава 4

Звезды и модели их строения

К счастью, существует возможность заглянуть в недра звезд, узнать их внутреннее строение. Ведь звезды — это не чудо, на которое можно лишь взирать с благоговением. Они, как и все реальные объекты нашего мира, подчиняются законам физики и могут быть объектом научного исследования. Выше мы уже увидели, как был, без лишних слов, поставлен и решен вопрос о том, откуда берется энергия звезд, и как долго может существовать звезда за счет этой энергии ядерных реакций. Однако звезды подчиняются не только закону сохранения энергии, но и всем другим физическим законам, как любой другой объект во Вселенной.

Ниже мы коротко остановимся на том, как, опираясь на физические законы и некоторые известные свойства звездного вещества, можно получить представление о внутренней структуре звезд, как можно с помощью компьютера заглянуть в их недра. В случае простых звезд достаточно знать массу и химический состав звездного газа. Затем можно, даже не видя этой звезды на небе, решить за письменным столом уравнения, описывающие ее свойства, и полностью определить ее структуру. Таким способом можно узнать не только температуру поверхности звезды и ее светимость, а, следовательно, и положение звезды на диаграмме Г — Р, но и вычислить ее диаметр, а также, что интереснее всего, определить давление, температуру и плотность в любой точке звезды: не только на поверхности, но и в объеме. Читатель, который не слишком интересуется подробностями таких расчетов, может перейти сразу к разделу «Модель „молодого“ Солнца». В этом разделе мы исходим из того, что физические законы и свойства солнечного вещества, уже описанные нами раньше, заложены в большой программе для вычислительной машины. Затем мы будем только экспериментировать с этой программой.

Сила тяжести и давление газа

Все звезды должны (за исключением коротких переходных периодов) находиться в равновесии. Вес звездного вещества, который давит на внутренние слои звезды, и давление звездного газа должны взаимно уравновешиваться. Не будь давления газа, все звездное вещество сжалось бы в точку в центре звезды. Не будь силы тяжести, давление газа распылило бы все звездное вещество в пространстве. Параметры звездного вещества — давление, температура и плотность — должны быть такими, чтобы в каждой точке звезды сила тяжести и давление уравновешивали друг друга. Это условие равновесия помогает определить давление газа в каждой точке объема звезды. Мы уже видели, как Эддингтон использовал это условие, чтобы найти давление в центре Солнца. Определив это давление, он пришел к выводу, что температура в центре Солнца составляет около 40 миллионов градусов. Чтобы определить величины давления и температуры, необходимо знать свойства газа, из которого состоят звезды.

Вещество, из которого построены звезды, не является чем-то необычным и удивительным. Звезды образованы из элементов, которые мы встречаем и на Земле. Свойства водорода и гелия, основных компонентов солнечного вещества, так же, как и свойства других химических элементов, уже давно изучены. Однако в земных условиях не удается довести вещество до таких высоких давлений и температур, какие существуют в недрах звезд. Тем не менее знание физических законов позволяет нам определить свойства вещества в таких экстремальных условиях. Этому способствует одно чрезвычайно счастливое обстоятельство. На Земле мы привыкли к тому, что газы имеют малую плотность. Если бы мы сжали воздух земной атмосферы или любой газ до плотности воды или еще сильнее, то давление газа в этом случае зависело бы от плотности достаточно сложным образом. Газ может перейти в жидкое или даже в твердое состояние. Законы, описывающие свойства конденсированных тел, сложнее физических законов для газа. Поэтому так плохо изучены свойства вещества в центре Земли и мы так мало знаем о земных недрах. Трудность состоит в том, что при больших давлениях атомы сильно сближаются и их электронные оболочки начинают перекрываться. Как описать такое взаимодействие электронных оболочек разных атомов, точно до сих пор неизвестно.

Другое дело звезды. В их недрах возникают чрезвычайно высокие температуры. В звездах вещество сжато до очень высоких давлений. Одновременно оно разогрето так сильно, что атомы полностью лишены своих электронных оболочек. Электроны уже не связаны с атомными ядрами. Ядра и электроны движутся независимо друг от друга. В таком виде частицы (электроны и ядра) занимают существенно меньше места, чем электрически нейтральный атом водорода. Поэтому горячее звездное вещество ведет себя как разреженный газ, хотя плотность этого вещества так велика, что один его кубический сантиметр может весить более ста граммов. Только этому обстоятельству мы обязаны тем, что о недрах Солнца нам известно больше, чем о земных. Даже если плотность звездного вещества будет еще больше, то и в этом случае-из-за еще более высоких температур — параметры звездного газа будут хорошо известны. Свойства звездного вещества усложняются только тогда, когда температура звезды понижается и ее вещество переходит в твердое кристаллическое состояние. Однако такие процессы важны лишь для небольшого числа звезд, прежде всего — для низкотемпературных белых карликов.

Выделение и перенос энергии

В центральных областях звезд развиваются настолько высокие температуры, что там могут протекать ядерные реакции и выделяется ядерная энергия. Если Аткинсон и Хоутерманс, Бете и фон Вайцзеккер показали в 20-30-е годы, что в недрах звезд ядра атомов могут взаимодействовать друг с другом, то в последующие годы другие ученые-физики получили всю необходимую информацию, которая позволяет нам вычислить, какое количество энергии выделяется в одном грамме звездного вещества при определенных давлении и температуре путем ядерных реакций.

В горячих внутренних областях звезд происходит выделение энергии. Эта энергия постепенно достигает внешних слоев звезды. Ее перенос происходит в основном за счет излучения. Важным свойством звездного вещества является его прозрачность для светового и теплового излучения. Прежде всего следует отметить, что во внешних слоях звезды, где атомы не полностью лишены своих электронных оболочек, кванты электромагнитного излучения из центра звезды могут поглощаться оставшимися электронными оболочками атомов. Спустя некоторое время возбужденные электроны переходят в основное состояние, и поглощенные кванты света вновь излучаются. Кванты электромагнитного излучения на своем пути из внутренних областей звезды к ее поверхности «переходят» от атома к атому. И наконец, на поверхности звезды кванты электромагнитного излучения покидают ее и устремляются в межзвездное пространство. Поэтому для расчетов внутреннего строения звезд чрезвычайно важна величина прозрачности звездного вещества. Для ее определения были выполнены сложные расчеты. Счастливым обстоятельством для астрофизиков было то, что эту работу за них уже проделали специалисты в области атомной физики. Им тоже очень нужно было знать коэффициенты поглощения излучения атомами.

После второй мировой войны данные о коэффициентах поглощения света неожиданно понадобились. При взрыве атомной бомбы возникает чрезвычайно интенсивное световое и тепловое излучение. Это излучение поглощается и затем переизлучается атомами окружающих воздушных масс. Чтобы предсказать эффект от взрыва атомной бомбы, специалистам в области атомной физики потребовалось точно знать коэффициенты прозрачности газов для светового и теплового излучения.

Несмотря на режим секретности, часть данных, необходимых для расчетов коэффициентов поглощения, можно было опубликовать. Этими данными воспользовались астрофизики. В центре атомных исследований США в Лос-Аламосе работала целая группа исследователей, которые занимались астрофизическими проблемами. Ученые как Востока, так и Запада дружно и успешно пользовались таблицами, рассчитанными в Лос-Аламосе. В этих таблицах были приведены значения прозрачности звездного вещества при различных давлениях и температурах. Успешное взаимодействие ученых Востока и Запада уже тогда проявилось в том, что часть своих таблиц исследователи из Лос-Аламоса опубликовали в журнале Академии наук СССР.

Бурлящее звездное вещество

В определенных условиях поток излучения из внутренних областей звезды наружу становится таким сильным, а прозрачность звездного вещества настолько малой, что энергия начинает накапливаться в недрах звезды. В таких условиях срабатывает другой механизм передачи энергии от внутренних областей звезды к внешним. Аналогичный процесс мы можем найти и на Земле. Рассмотрим для примера раскаленную печь. Часть ее энергии передается в пространство за счет излучения. Однако существует и другой способ переноса энергии. Воздух над печью нагревается и за счет этого расширяется. Поскольку плотность нагретого воздуха уменьшилась, он поднимается вверх, а на его место поступают новые холодные массы воздуха. При этом теплый воздух переносит энергию от печи к другим участкам комнаты. В этом случае говорят о переносе энергии с помощью конвекции. Когда мы обогреваем комнату с помощью печи, энергия передается как за счет излучения, так и путем конвекции. Над открытым огнем и над поверхностью асфальта, нагретого солнцем, хорошо видны струящиеся вверх потоки нагретого газа. Более холодные массы газа опускаются сверху вниз, нагреваются и через некоторое время опять поднимаются вверх. Конвекция играет большую роль в энергетических процессах земной атмосферы. Поэтому она была хорошо изучена метеорологами задолго до того, как ею заинтересовались астрофизики.

Существует множество звезд, вещество которых находится в постоянном бурлящем движении. В этих звездах излучение не может полностью обеспечить перенос энергии; ведущая роль переходит к конвекции. Так, например через внешние слои Солнца энергия переносится не с помощью излучения, а за счет перемещения нагретых газовых струй. Кипящую газовую оболочку Солнца можно разглядеть даже в небольшой телескоп, если воспользоваться сильным фильтром, ослабляющим солнечный свет. Оказывается, что поверхность Солнца неодинаково яркая: мы видим поднимающиеся на поверхность горячие, светлые струи диаметром около тысячи километров, которые окружены холодными, более темными газовыми массами, опускающимися сверху вниз. На рис. 4.1 показан вид солнечной поверхности с постоянно меняющейся ячеистой структурой, которую астрономы называют грануляцией. Этот снимок показывает, что хорошо известная на Земле конвекция играет важную роль в мире звезд.

Рис. 4.1. Грануляция на поверхности Солнца. Во внешних слоях Солнца энергия переносится из центра к поверхности с помощью конвекции. Поэтому на внешней поверхности Солнца появляются горячие, а, следовательно, более светлые газовые струи, в то время как более холодные газовые массы опускаются вглубь (на снимке они выглядят темными). Эти потоки образуют на поверхности Солнца постоянно изменяющуюся ячеистую структуру. Если в масштабе этого рисунка изобразить нашу Землю, то ее диаметр составил бы всего 14 мм. [8]

Компьютерная модель звезды

В этом разделе мы приведем лишь некоторые примеры известных физических законов и свойств вещества, которые помогают понять, как устроены звезды. На основе этих сведений, большинство из которых было известно уже перед второй мировой войной, можно вычислить характеристики внутреннего строения звезд просто за письменным столом. Первым, кто это сделал, был профессор термодинамики Мюнхенского высшего технического училища Роберт Эмден. Его книга «Газовые сферы», вышедшая в 1907 г., стала классической работой по теории строения звезд. Затем в Англии появились работы Артура Эддингтона, а позже — Томаса Каулинга и Субраманьяна Чандрасекара. Эти исследователи построили в 20-30-е годы модель внутренней структуры звезд. Уже эта модель позволила сделать основные выводы и получить грубые оценки для некоторых параметров звезд.

Развитие современных вычислительных средств позволило заново решить эту задачу и имитировать процессы в звездах с помощью вычислительных машин. Что имеется в виду? Нужно было «научить» электронно-вычислительные машины законам, которые определяю строение звезд. Нужно было заложить в них информацию о свойствах звездного вещества. Иначе говоря, следовало ввести в машину сведения о давлении звездного газа при всех необходимых для расчета значениях плотности и температуры. Следовало учесть в программе, в каких условиях водород превращается в гелий и какая энергия выделяется при этом процессе. Нужно было научить компьютер тому, как происходит передача энергии, освобождающейся в недрах звезд, через слои звездного вещества к поверхности. Иными словами, следовало предусмотреть случаи, когда происходит передача энергии с помощью излучения, а когда — путем конвекции. Все эти многочисленные сведения требовалось объединить в большой программе для вычислительной машины.

В настоящее время возможно сконструировать модель звезды с помощью компьютера, а затем теоретически изучить процесс ее развития. ЭВМ печатает на больших листах бумаги значения температуры, плотности, давления газа и интенсивности потока энергии для различных слоев звезды. Информация на таких распечатках описывает строение звезд в определенный момент времени. При этом мы можем сказать, что вычислительная машина рассчитала для нас модель строения звезды.

Модель «молодого» Солнца

Представим себе, что у нас есть достаточно большая вычислительная машина и программа, которая моделирует внутреннее строение звезды. Мы хотим с их помощью построить модель звезды. Прежде всего необходимо задать химический состав звездного вещества. Выберем для начала смесь химических элементов, состав которой характерен для Солнца и большинства других звезд. Предположим, таким образом, что килограмм звездного вещества содержит около 700 граммов водорода и 270 граммов гелия. В остальных 30 граммах содержатся более тяжелые элементы, прежде всего углерод и кислород. Затем вычислительная машина должна будет определить свойства звездного вещества данного состава, и прежде всего его прозрачность. Теперь нужно определить еще количество вещества, которое содержится в нашей модельной звезде. Пусть масса этой звезды будет близка к массе Солнца. Тогда машина рассчитает параметры модели звезды с помощью заложенных в программу законов природы и известных свойств звездного вещества. В настоящее время вычислительные машины работают так быстро, что решение подобной задачи занимает меньше минуты. Модель звезды, в которую мы заложили данные для Солнца, получается немного меньше нашего Солнца: ее диаметр составляет около 92 % диаметра Солнца, она излучает несколько меньше энергии, чем мы ожидали. Ее светимость составляет лишь 75 % светимости настоящего Солнца. Температура поверхности близка к 5620 градусам, что на 180 градусов ниже реальной температуры солнечной поверхности. Однако мы не будем вначале обращать внимания на эти небольшие различия и рассмотрим более подробно звезду, которая получилась в нашей модели. Эта звезда лежит на диаграмме Г-Р на главной последовательности, немного ниже настоящего Солнца.

На рис. 4.2, а показано внутреннее строение Солнца, полученное в нашей модели. [9] В подписи к рисунку подробно объясняются обозначения. С этими обозначениями мы еще не раз встретимся в нашей книге.

Рис. 4.2. Внутреннее строение звезд разной массы, полученное с помощью компьютерной модели. Масса выражается в единицах массы Солнца М. Звезды в левой части рисунка (а, б, г) показаны в одинаковом масштабе. В этом же масштабе изображена и звезда на рис. в. Чтобы лучше показать внутреннее строение звезд, на рис. а и г изображения увеличены еще в 10 раз. На рис. б в 10 раз увеличена только внутренняя область, показанная на левом рисунке белым цветом. На трех плоскостях, образующих вырез, показан химический состав (внизу), выделение энергии (слева вверху) и характер переноса энергии (справа вверху). Точками на нижней плоскости показаны области с исходным химическим составом. Все изображенные на рисунке звезды образованы из исходной богатой водородом газовой смеси. Светлые области на левой верхней плоскости разреза показывают, где происходит выделение энергии за счет ядерной реакции. Волнистыми стрелками в правом верхнем секторе каждого рисунка обозначены области, где происходит перенос энергии с помощью излучения. «Облака» изображают области, где происходит конвективный перенос энергии из внутренних областей звезды к поверхности.

В центре звезды плотность вещества в нашей модели составляет около 100 граммов на один кубический сантиметр. Эта величина примерно в 13 раз выше плотности железа. Давление составляет 130 миллиардов атмосфер. Температура центральной области близка к 10 миллионам градусов. При этой температуре протекают ядерные реакции. Ядерная энергия выделяется в результате реакций протон-протонной цепочки! Таким образом, мы получили звезду, светимость которой объясняется превращением водорода в гелий! Энергия из внутренних областей звезды переносится наружу с помощью излучения. Однако во внешних слоях этот механизм переноса энергии работает недостаточно эффективно. Там энергия передается к поверхности с помощью конвекции. Массы газа поднимаются вверх и вновь опускаются вниз, точно как на поверхности Солнца, где эти потоки образуют так называемую грануляцию.

Сформулируем основные выводы. Мы взяли вещество с составом, близким к солнечному, и такой же массой и построили из него звезду, В результате получился объект, который находится на главной последовательности диаграммы Г-Р, в объеме которого водород превращается в гелий, во внешних слоях происходит конвективный перенос тепла, как на Солнце, а основные свойства этого объекта очень близки к свойствам Солнца.

Но почему же нам не удалось в точности повторить свойства Солнца, в чем кроется причина различий? Может быть что-то неправильно в нашей программе? Далее мы увидим, что отличие модельного Солнца от реального связано с тем, что в нашей модели мы предположили: состав солнечного вещества постоянен во всех точках. Однако настоящее Солнце светит уже более трех миллиардов лет. За это время в центральных областях Солнца накопился гелий, который образовался в результате ядерных реакций. Это обстоятельство мы не учли в нашей программе. Мы построили такое Солнце, в котором химический состав центральных областей не отличается от состава внешних слоев. Таким образом, мы построили Солнце, в котором реакция ядерного горения водорода только что началась — Солнце в самом начале его жизни. Следовательно, мы построили «молодое Солнце».[10] Прежде чем увидеть, как молодое Солнце превращается в Солнце наших дней, мы проведем численные эксперименты со звездами одинакового состава, но разной массы.

Численная модель позволяет построить «молодую» главную последовательность

Вновь возьмем вещество с химическим составом, характерным для Солнца. Зададим теперь нашему компьютеру, который только что построил модель Солнца, величину массы, которая в два раза превышает солнечную! Менее чем через минуту машина напечатает нам величины, описывающие новую звезду. Звезда, которая получается в результате расчета, тоже существует за счет превращения водорода в гелий. С помощью такого метода мы можем получить модели для целого ряда звезд различной массы. Что мы обнаружим? Все эти звезды существуют за счет превращения водорода в гелий. Если звезды с массой, равной солнечной, и более «легкие» звезды получают энергию за счет реакций последовательного присоединения протонов, то в «тяжелых» звездах водород превращается в гелий в реакциях углеродного цикла.

Вычислительная машина определяет нам в каждом случае светимость и температуру поверхности звезды. Поэтому мы, пользуясь нашими моделями, можем нанести на диаграмму Г-Р значения светимости и температуры поверхности для звезд разной массы, существующих за счет сжигания водорода (рис. 4.3). При этом мы увидим, что все эти звезды лежат на одной линии, которая опускается слева направо. Наиболее массивные звезды расположены наверху, более легкие — внизу. Таким образом мы снова получили главную последовательность, но на этот раз не из наблюдений звездного неба. Мы обнаружили эту последовательность на распечатках компьютера, которые описывают звезды разной массы, существующие за счет сжигания водорода. Раньше мы могли только предполагать, зная продолжительность жизни Солнца и других звезд главной последовательности, что их излучение объясняется сжиганием водорода, теперь же это предположение обрело силу уверенности. Главная последовательность — это такое место на диаграмме Г-Р, где располагаются звезды, существующие за счет ядерной энергии превращения водорода в гелий!

Рис. 4.3. Точками показаны данные для звезд с разной массой, полученные с помощью компьютерной модели. Все звезды состоят из богатой водородом смеси одинакового состава. На диаграмме Г-Р они образуют главную последовательность со всеми свойствами наблюдаемой главной последовательности. Массы звезд выражены в единицах массы Солнца М. Видно, что светимость звезд главной последовательности резко падает с уменьшением массы.

Теоретическая модель строения звезд предсказывает и другое свойство главной последовательности. О нем уже говорилось выше. Речь идет о наблюдаемой зависимости между массой звезды и ее светимостью. Если мы построим модель для звезды, масса которой в 10 раз превышает солнечную, то ее светимость будет существенно выше светимости модельной звезды с солнечной массой. Это возрастание светимости звезд с увеличением массы хорошо согласуется с наблюдаемой зависимостью светимости от массы (см. рис. 2.4).

Для всех модельных звезд разной массы, полученных с помощью расчетов на ЭВМ, справедливо одно обстоятельство, о котором мы уже говорили. Модель дает свойства этих звезд в начале их жизни, когда только началась реакция превращения водорода в гелий. Таким образом, речь идет о «молодых звездах». Поэтому построенная нами главная последовательность — это не та главная последовательность звезд, которую мы наблюдаем сейчас на небе, а главная последовательность молодых звезд, «молодая главная последовательность». Однако в большинстве звезд реальной главной последовательности запасы водорода еще не слишком истощены. Поэтому реальные звезды не слишком сильно отличаются по своим свойствам от «молодых».

Мы видим, что если вести речь о свойствах звезд, доступных для наблюдения с Земли, наша модель дает хорошее согласие теоретических предсказаний с наблюдаемыми свойствами. Поэтому мы можем надеяться, что и внутреннее строение звезд, предсказанное с помощью компьютерной модели, не слишком сильно отличается от внутреннего строения реальных небесных тел. Это означает, что теоретическая модель позволяет нам заглянуть в недра звезд. Такой возможности лишена наблюдательная астрономия. Мы уже обсудили внутреннее строение Солнца. Посмотрим теперь, как устроены другие звезды, масса которых больше или меньше солнечной.

Строение Спики (Альфы Девы)

Рассмотрим для примера звезду, масса которой в 10 раз превышает солнечную. Поскольку Спика (Альфа Девы) как раз имеет примерно такую массу, наша компьютерная модель должна описывать ее свойства. Действительно, температура поверхности и светимость, полученные с помощью расчета, хорошо согласуются с соответствующими величинами для Спики. Как устроена такая звезда внутри? Температура в центральной области составляет 28 миллионов градусов. Выделяющаяся в центральной части энергия возникает в реакциях углеродного цикла. Ядерная реакция протекает в пределах сферы, диаметр которой в 5 раз меньше внешнего диаметра звезды. Там выделяется такое количество энергии, что излучение не может справиться с ее переносом. Поэтому возникает конвекция. Примерно 22 % массы во внутренней части звезды находится в состоянии конвективного движения (см. рис. 4.2, б). За пределами этой области энергия переносится с помощью излучения. Кванты света на своем пути к поверхности поглощаются и переизлучаются атомами и электронами. Достигнув поверхности, эти кванты излучаются в космическое пространство. Плотность в центре такой звезды не превышает 8 граммов на кубический сантиметр. Таким образом, газообразное звездное вещество в центре Спики близко по плотности к железу. Давление в центре звезды составляет 35 миллиардов атмосфер. Таково внутреннее строение Спики, самой яркой звезды в созвездии Девы.

Во всех звездах, масса которых во много раз превышает массу Солнца, перенос энергии во внутренних областях происходит путем конвекции, как мы показали на примере Спики. Это хорошо видно из приведенной на рис. 4.2, в модели звезды, масса которой превышает солнечную в 72 раза. Отметим, что с возрастанием массы звезд главной последовательности увеличивается и их диаметр.

Выше мы уже обсуждали модель для молодого Солнца. Рассмотрим теперь звезду, масса которой существенно меньше солнечной.

Красный карлик в созвездии Лебедя

В созвездии Лебедя (по латыни Cygnus) есть звезда, хорошо знакомая всем астрономам: 61 Лебедя. Она стала известной, когда Фридрих-Вильгельм Бессель в 1837–1838 гг. впервые [11] опробовал на ней свой новый метод определения расстояний (см. приложение Б). Имя Фридриха-Вильгельма Бесселя уже известно нам из истории открытий спутника Сириуса.

Звезда 61 Лебедя в действительности представляет собой двойную систему: две звезды с массой 0,5 и 0,6 солнечной движутся с периодом 720 лет вокруг общего центра масс. Нас интересует более тяжелая из этих звезд, 61 Лебедя А. Эта звезда принадлежит к главной последовательности, температура ее поверхности составляет 4000 градусов. Она меньше и существенно холоднее Солнца, и поэтому принадлежит к числу красных звезд: представляет собой так называемый красный карлик.

Если построить с помощью вычислительной машины модель звезды с массой 0,6 солнечной, то мы получим для этой звезды примерно такие же свойства, как у звезды 61 Лебедя А. Наша модельная звезда будет расположена примерно в том же месте на диаграмме Г-Р. Как выглядит внутреннее строение красного карлика? Оно схематически изображено на рис. 4.2, г. Температура в центре составляет всего около 8 миллионов градусов. Все ядерные реакции принадлежат к протон-протонной цепочке. Плотность в центральной части звезды составляет 65 граммов на кубический сантиметр. Таким образом, плотность в центре красного карлика меньше плотности вещества в центре Солнца. Давление составляет около 75 миллиардов атмосфер и примерно равно давлению в центре Спики. Перенос энергии во внутреннем объеме звезды происходит путем излучения. Во внешних слоях наблюдается конвекция, как на Солнце, однако толщина конвективного слоя существенно больше. Толстый внешний конвективный слой характерен для красных звезд.

Чем ниже мы будем опускаться по главной последовательности, переходя ко все более холодным и красным карликам, тем толще будет внешняя конвективная зона звезд. Если масса звезды составляет всего одну десятую массы Солнца, то все ее вещество от поверхности до центра находится в конвективном движении.

Свойства «молодой» главной последовательности

Теперь мы в основных чертах понимаем свойства звезд главной последовательности. Нам известно, что к главной последовательности принадлежит более 90 % всех звезд. Мы уже установили, что все эти звезды существуют за счет превращения водорода в гелий. Свойства атомов водорода определяют количество выделяющейся энергии, а, следовательно, и наблюдаемые свойства звезд главной последовательности. Если говорить о цвете и яркости звезд, т. е. о свойствах, которые мы можем наблюдать невооруженным глазом, то можно с уверенностью сказать, что эти звезды наглядно демонстрируют нам на небе свойства атомов водорода. Если бы атомы водорода обладали другими свойствами, то и звезды выглядели бы иначе.

Где расположены границы главной последовательности? Можно ли, взяв любое количество богатого водородом вещества подходящего состава, построить из него звезду, которая будет светить за счет превращения водорода в гелий? Допускают ли это законы природы? Как далеко простирается главная последовательность в сторону малых масс? Будет ли функционировать звезда, масса которой не превышает массу человека?

Если мы будем с помощью компьютера, начав со звезды, близкой по размерам к Солнцу, переходить ко все более легким звездам, то температура центральных областей наших звезд будет постепенно понижаться. Реакции протон-протонной цепочки скоро не будут доходить до конца. Эта цепочка обрывается на слиянии двух ядер Не^3. Таким образом, превращение водорода в Не^4 становится невозможным. Если мы опустимся примерно до восьми сотых массы Солнца, то в таких звездах уже не может происходить превращение водорода в гелий. Температура в недрах столь малых звезд недостаточно велика, чтобы могли сливаться друг с другом ядра водорода. Таким образом, главная последовательность звезд, которые светят за счет превращения водорода в гелий, опускается немного ниже одной десятой массы Солнца. Здесь она заканчивается. Если потребовать от компьютера, чтобы он построил модель для звезды с меньшей массой, в которой сгорает водород, то он откажется это сделать. Если бы я захотел в гигантском эксперименте построить звезду с массой в одну тысячную массы Солнца, то в лучшем случае получилось бы небесное тело, напоминающее по свойствам планету. И никогда не удалось бы образовать мини-звезду, светящуюся за счет ядерных реакций с участием водорода.

А какова же максимальная масса звезды, принадлежащей к главной последовательности? Что будет, если я попытаюсь с помощью компьютера построить звезду в 100, 1000, 1 000 000 раз тяжелее Солнца? В случае таких гигантских масс вычислительная машина позволяет построить «работающую» модель звезды. Однако столь тяжелые звезды имеют одну важную особенность: если такая звезда на короткий промежуток времени немного сожмется, то в ее центральной части давление сильно возрастет, резко увеличится и температура. Превращение водорода в гелий, которое в такой звезде происходит по углеродному циклу, резко ускорится и вызовет такой сильный нагрев внутренних областей звезды, что выделяющаяся энергия вызовет резкое расширение сжавшегося звездного вещества. Но при этом центральная область звезды заметно охладится, выделение ядерной энергии упадет, газовое давление уменьшится и сила тяжести внешних слоев звезды снова начнет сжимать внутренние области. По мере увеличения давления снова возрастет температура звезды и т. д.

Точные решения для этого процесса, полученные наряду с другими исследователями астрономом Иммо Аппенцеллером, работающим в Гейдельберге, показывают, что эти перемещения звездного вещества становятся все сильнее и сильнее до тех пор, пока при каждом цикле расширения некоторая часть внешних слоев звезды не начнет двигаться так быстро, что уже не сможет возвратиться обратно. С каждым циклом расширения звезда будет терять часть массы, и такой циклический процесс будет продолжаться до тех пор, пока масса нашей сверхзвезды не упадет примерно до 90 масс Солнца. Тогда «заколдованный круг» разрывается. Центральные области такой звезды уже не нагреваются заметным образом из-за давления внешних слоев, ядерные реакции уже не приводят к «перепроизводству» энергии, и причины для периодической «пульсации» звезды исчезают. Звезда становится обычным представителем главной последовательности с массой примерно в 90 солнечных, и в ней происходит спокойное превращение водорода в гелий.

Мне могут возразить, что для начала циклических расширений и сжатий нашей сверхзвезды необходимо, чтобы кто-то сжал эту звезду. Однако во Вселенной нет никого, кто мог бы сжимать звезды. Тем не менее цикл расширения и сжатия все равно начинается, поскольку для его «запуска» достаточно очень небольшого сжатия, чрезвычайно малого отклонения от равновесия. В окружающем нас мире всегда возникают самопроизвольные возмущения. И хотя на звезду никто не воздействует снаружи, достаточно уже перемещения атомов звездного вещества или движения звездного газа в областях, где происходит конвекционный перенос энергии, чтобы «запустить» цикл расширения и сжатия. После такого запуска периодическое расширение и сжатие происходит до тех пор, пока звезда не потеряет достаточно большую долю своей массы.

Таким образом, мы определили естественный верхний предел главной последовательности в нашей модели строения звезд. Этот верхний предел тоже хорошо совпадает с данными наблюдений. До сих пор никто не мог найти звезду, масса которой была бы существенно выше теоретического верхнего предела.

Мы почти правильно определили верхний предел главной последовательности с помощью нашей компьютерной модели. Однако эта модель описывает только «молодые» звезды, звезды, которые только начали свою жизнь. Постепенно количество водорода в центральных областях звезд понижается: вначале в наиболее тяжелых звездах, а затем — во все более и более легких. Звезды начинают стареть. В следующей главе мы рассмотрим этот процесс с помощью все той же компьютерной модели Солнца.

Глава 5

История жизни Солнца

Гелий является своего рода золой, образующейся при сгорании водорода. Когда «молодое» Солнце излучает со своей поверхности энергию в солнечное пространство, в его недрах водород превращается в гелий. С течением времени расходуется все больше и больше водорода. Рассматривая модель «молодого» Солнца, мы предположили, что оно полностью состоит из богатого водородом вещества одинакового состава. Но центральные области нашего Солнца постепенно все больше обогащаются гелием. Поэтому модель, которую мы заложили в компьютер, не может описать изменение свойств Солнца со временем.

От «молодого» Солнца к современному

При конструировании модели для звезд главной последовательности можно определить, какое количество энергии выделяется в каждой точке центральной области звезды за счет сгорания водорода. Известно также, сколько атомов гелия возникает там в каждую секунду. В центре «молодого» Солнца на каждый килограмм вещества образуется за год одна десятимиллионная доля грамма гелия. Если вычислить для каждой точки в объеме звезды, сколько гелия образуется там за миллион лет, то мы получим химический состав модели Солнца, который формируется через миллион лет после начала горения водорода.

Заложив в вычислительную машину новый состав центральных областей звезды, можно получить новое решение для модели. Но при увеличении концентрации гелия меняются и свойства звездного вещества. Иной становится его прозрачность для излучения, а ядерные реакции превращения водорода в гелий идут не так полно, как в «молодом» Солнце. Такая модель звезды описывает свойства Солнца через миллион лет после начала ядерных реакций; она отличается от модели «молодого» Солнца чрезвычайно слабо, поскольку миллион лет-это очень малый промежуток времени по сравнению с миллиардами лет, в течение которых Солнце светит за счет ядерных реакций. Поэтому температура поверхности в новой модели практически такая же, как у «молодого» Солнца, а светимость лишь ненамного выше. Поскольку в центре звезды становится меньше водорода, температура центральных областей Солнца в новой модели слегка повышается. Это означает, что теперь там образуется чуть больше энергии, чем прежде.

Новая модель Солнца тоже показывает нам, где освобождается энергия ядерных реакций и сколько водорода превращается в гелий за каждую секунду. И снова мы можем определить химический состав звезды еще через один миллион лет. Для этого нового химического состава вновь можно построить модель внутренней структуры Солнца.

Так мы можем последовательно переходить от одной модели Солнца к целому ряду других. Поскольку в результате каждого расчета мы можем определить температуру поверхности и светимость, то каждую из этих моделей можно изобразить точкой на диаграмме Г-Р. На этой диаграмме появляется цепочка точек, начало которой совпадает с «молодым» Солнцем. Эта последовательность точек описывает, как перемещается Солнце по диаграмме Г-Р в ходе своего развития. Мы определили таким образом путь развития Солнца.[12] Он показан на рис. 5.1. На некоторых участках этой траектории отмечено время, прошедшее с момента «зажигания» водорода в недрах Солнца.

Рис. 5.1. Путь развития Солнца на диаграмме Г-Р. Он начинается от «молодого» Солнца, проходит через точку, которая соответствует современному Солнцу, а затем уходит в сторону от «молодой» главной последовательности в область красных гигантов. На рисунке обозначено время, прошедшее с момента начала ядерной реакции превращения водорода в гелий в недрах «молодого» Солнца.

Путь развития нашего модельного Солнца проходит через точку на диаграмме, которая соответствует нынешнему времени. Теперь мы хорошо видим, что, как уже отмечалось выше, различие в свойствах между «молодым» Солнцем и современным Солнцем связано с постепенной временной эволюцией нашей звезды. Если учесть обогащение гелием центральной зоны Солнца, то свойства, которые предсказываются моделью, будут в точности совпадать с наблюдаемыми. Это обстоятельство укрепляет нашу уверенность в том, что расчеты свойств Солнца правильны. Расчеты позволили нам определить и возраст нашего Солнца. Между «молодым» Солнцем на диаграмме и Солнцем в настоящее время прошло 4,5 миллиарда лет. Таков возраст нашего Солнца. За это время из «молодого» Солнца образовалось нынешнее Солнце. Прежде чем говорить о будущем, остановимся еще на некоторых свойствах современного Солнца.

Воспользуемся возможностями, которые предоставляет нам наша компьютерная модель, и заглянем внутрь Солнца. На рис. 5.2, б представлена наша модель современного Солнца. Мы хотим сравнить ее со структурой «молодого» Солнца, показанной на рис. 4.2. Они не слишком отличаются друг от друга. Здесь и там мы видим конвективный внешний слой, в то время как в более глубокой области энергия переносится от внутренних слоев к внешним с помощью излучения. Превращение водорода в гелий происходит в реакциях протон-протонной цепочки. Современное Солнце отличается от молодого только тем, что в его центральной области содержится некоторое количество гелия, возникшего в результате ядерных реакций. В то время как во внешних слоях на килограмм вещества приходится 270 граммов гелия, в центральных областях содержание достигает 590 граммов. Примерно 300 граммов на килограмм массы образовалось в результате сгорания водорода. Во внешнем слое солнечное вещество постоянно перемешивается. Каждый грамм вещества, достигший внешней поверхности, за некоторое время до этого находился в нижней части конвективного слоя, где температура вещества составляет около одного миллиона градусов. Это примерно в 170 раз выше температуры внешней поверхности. Мы видим, что конвективная зона распространяется с поверхности до очень горячих внутренних областей. Это обстоятельство имеет важные следствия, на которых мы остановимся ниже.

Рис. 5.2. Внутреннее строение Солнца, полученное с помощью компьютерной модели, на разных стадиях его развития. Обозначения те же, что и на рис. 4.2. В отличие от этого рисунка теперь показаны области, обогащенные гелием. Они символически изображены с помощью кружков. Исходное вещество, богатое водородом, показано точками. С течением времени в центральной области Солнца становится все больше гелия, а сама эта область расширяется. Слева показаны изображения звезд в одинаковом масштабе (однако этот масштаб не совпадает с масштабом рисунков в левой части рис. 4.2). Справа от них показаны в увеличенном размере внутренние области, приведен масштаб увеличения: а — «молодое» Солнце, б — современное Солнце. В центре звезды, показанной на рис. в, уже есть сфера, целиком занятая гелием, который возник в результате горения водорода. Ядерная реакция превращения водорода в гелий происходит теперь в тонком слое, который окружает гелиевую сферу. На рис. г показано Солнце на стадии красного гиганта. Хорошо видны толстая внешняя конвективная зона и относительно малое внутреннее гелиевое ядро, размеры которого близки к диаметру белого карлика. Белый карлик изображен для сравнения справа внизу в масштабе, увеличенном в 100 раз по сравнению с изображением центральной части звезды на рис. г.

Почему на Солнце нет дейтерия?

Ядро атома дейтерия, одного из изотопов водорода, состоит из протона и нейтрона. Дейтерий не может существовать при высоких температурах, которые наблюдаются в недрах звезд. Уже при температуре 500 000 градусов ядра дейтерия могут взаимодействовать с ядрами водорода. В результате такой реакции образуется изотоп гелия. Дейтерий встречается в природе в небольших количествах: его можно найти, например, в межзвездном веществе, из которого образовались все звезды. При рождении Солнца дейтерий тоже должен был войти в его состав, поскольку следы этого изотопа водорода наблюдаются и на Земле. Так, например, в океанской воде на каждые 5000 обычных атомов водорода встречается один атом дейтерия.

Однако этот изотоп отсутствует в солнечной атмосфере. Это не удивительно, поскольку из нашей компьютерной модели следует, что во внешних слоях Солнца дейтерия просто не может быть. Причиной этого является конвекция. Каждый атом дейтерия на внешней поверхности Солнца рано или поздно окажется в результате конвективного перемешивания у дна конвективной зоны. В этой области температура приближается к одному миллиону градусов. Как только атом дейтерия попадет в эту область, он при столкновении с ядром водорода превратится в изотоп гелия. За время, прошедшее с момента возникновения Солнца, весь дейтерий должен был разрушиться. Даже если сегодня дейтерий попадет на Солнце откуда-нибудь из космического пространства, то через два или три года атомы дейтерия окажутся во внутренних, горячих слоях Солнца и превратятся в атомы гелия.

Почему на Солнце мало лития?

Наша компьютерная модель не может объяснить всех фактов. Когда астрономы изучали химический состав солнечной поверхности, то оказалось, что на Солнце чрезвычайно редко встречается (по сравнению с концентрацией на Земле) еще один элемент: литий. Этот элемент относится к числу наиболее легких в периодической системе: ядро атома лития состоит из трех протонов и четырех нейтронов. Такие атомы встречаются на Солнце крайне редко. По сравнению с его распространенностью на Земле, а также по сравнению с концентрацией в метеоритном веществе, которое попадает на Землю из мирового пространства, один килограмм солнечного газа содержит в 100 раз меньше лития. Может быть, этот элемент тоже разрушается при высоких температурах в нижней части конвективной зоны?

Действительно, литий может поглощать протон и распадаться на два атома гелия, как показано на рис. 5.3. Но температура в один миллион градусов, которая наблюдается в нижней части конвективной зоны, недостаточна для этой реакции. Разрушение лития происходит существенно глубже, примерно при температуре три миллиона градусов. Во всех компьютерных моделях, существующих к настоящему времени, конвективная зона не проникает ниже слоя с температурой один миллион градусов. Поэтому наша модель не может объяснить малое содержание лития на Солнце. Может быть, литий отсутствовал с самого начала? Это чрезвычайно маловероятно. В настоящее время считается, что Солнце, планеты и метеориты возникли из одного и того же вещества, которое первоначально имело один и тот же химический состав. Мы еще вернемся к этому вопросу, когда будем обсуждать возникновение звезд. Куда же девался литий на Солнце? Как объяснить этот парадокс?

Рис. 5.3. При температурах около трех миллионов градусов атомы лития превращаются в звездных недрах в атомы гелия при участии ядер водорода.

Выход из положения есть: в промежуток времени между образованием звезд и началом ядерных реакций превращения водорода в гелий конвективная зона на Солнце проникала существенно глубже, чем теперь. Она достигала областей с температурами по меньшей мере в три миллиона градусов. В это время большая часть лития из внешних слоев Солнца могла проникнуть в глубину и разрушиться. К этому вопросу мы еще вернемся в гл. 12. Прежде мы должны узнать, что было до возникновения «молодого» Солнца? Теперь продолжим наше изучение стареющего Солнца, а годы его юности рассмотрим позже.

Судьба звезд, подобных Солнцу, после полного выгорания водорода, а также путь развития, показанный на рис. 5.1, были изучены в 50-е годы. При решении этих задач впервые широко использовались электронные вычислительные машины. Прежде чем рассмотреть полученные данные, я хотел бы отвлечься и совершить небольшой экскурс в историю, с которой у меня связаны некоторые личные воспоминания.

1955 г. — прорыв в область красных гигантов

В этом году была опубликована работа двух знаменитых астрофизиков своего времени. Эта работа была столь объемна, что ее не удалось напечатать в обычном номере «Астрофизического журнала». Она была опубликована в серии дополнительных выпусков. Одним из ее авторов был Фред Хойл. Хойл в это время занимал в Кембридже кафедру Эддингтона и уже написал много важных астрофизических работ, в том числе о возникновении химических элементов в недрах звезд. Кроме того, в свободное время он писал научно-фантастические романы. Его книга «Черное облако» была переведена на многие языки мира. На немецком радио по этой книге была даже поставлена радиопьеса. Другим автором вышедшей в «Астрофизическом журнале» работы был Мартин Шварцшильд. Когда умер его отец, астроном Карл Шварцшильд о нем речь пойдет позже, — Мартину было всего четыре года. Уже мальчиком он интересовался астрономией. Позже Шварцшильд вспоминал, что прежде чем избрать карьеру астронома, он долгое время мечтал стать молочником. Мартин Шварцшильд говорил, что он стал астрономом, как и его отец, только потому, что у него не хватило оригинальности выбрать другую профессию. Он получил степень доктора в Гёттингенском университете в 1935 г. Говорят, что семьи Шварцшильдов и Ротшильдов когда-то жили в одном и том же переулке Франкфуртского гетто. Поэтому для юного астронома было жизненно важным как можно быстрее покинуть Третий рейх. Его брат, оставшийся тогда в Германии, вынужден был позже покончить жизнь самоубийством. Через Норвегию Мартин Шварцшильд попал в США, а после войны стал профессором в Принстоне.

В послевоенные годы в группе Шварцшильда в Принстонском университете была начата работа по конструированию моделей строения звезд главной последовательности. Сотрудники Шварцшильда попытались изучить, что происходит со звездами, когда в их недрах кончается водород и прекращается ядерная реакция образования гелия. В 1955 г. была успешно закончена большая работа, в которой впервые удалось рассчитать, как звезды главной последовательности постепенно превращаются в красные гиганты.

В те годы астрофизики впервые начали широко применять в своих расчетах вычислительные машины. Хойлу и Шварцшильду нужен был компьютер, чтобы смоделировать процесс развития звезд. Немного позже и у меня возникла такая необходимость.

Осенью 1957 г. мы со Штефаном Темешвари (1915–1984) ночами просиживали на Беттингерштрассе в Гёттингене у вычислительной машины G2. Так назывался компьютер, сконструированный и собранный Хайнцем Биллингом и его сотрудниками в Физическом институте им. Макса Планка. В те времена вычислительную машину еще нельзя было просто купить в магазине, научные сотрудники сами изготовляли компьютеры. Сегодня обычный настольный компьютер очень часто обладает более широкими возможностями, чем любая машина, которая в те времена занимала целую комнату и работала на лампах. Людвиг Бирман, который в то время руководил астрофизическим отделением института, предложил нам с помощью этой машины решить уравнения Хойла и Шварцшильда. При этом мы должны были использовать придуманный нами улучшенный способ расчета.

Если вспомнить, как мы тогда работали, и сравнить с сегодняшними методами исследований, то станет ясно, какие произошли огромные изменения. Чтобы получить модель внутреннего строения звезды, надо было задать пробные значения светимости и температуры поверхности, а затем шаг за шагом двигаться от внешних слоев звезды ко внутренним. Когда расчет подходил к центру звезды, требовалось проверить, имеют ли наши решения смысл, или, говоря на языке математики, отвечают ли они внутренним граничным условиям. После этого надо было повторять весь расчет снова, используя улучшенные значения для светимости и температуры поверхности и надеясь, что на этот раз внутренние граничные условия будут удовлетворяться лучше. Интегрирование от поверхности к центру звезды необходимо было многократно повторять до тех пор, пока не получалось разумное решение. Чтобы получить каждое решение, мы совершали целое «путешествие» к центру звезды. Оно продолжалось пять часов, и можно было только надеяться, что вычислительная машина будет работать все это время без ошибок. Иначе приходилось все начинать сначала. Сегодня вычислительная машина того же института (которая, кстати сказать, установлена в Мюнхене) получает окончательное решение в течение нескольких секунд. Такая скорость решения задачи объясняется не только появлением новых мощных компьютеров, это прежде всего заслуга группы исследователей из Беркли.

Об их работах речь пойдет в следующей главе. А мы пока посмотрим, что происходит со звездами главной последовательности, когда в них начинает выгорать водород. Такая же судьба ожидает и наше Солнце, а ведь от него зависит и будущее жизни на нашей планете.

Что произойдет в будущем с нашим Солнцем?

Что же будет дальше? Что произойдет, когда все больше водорода будет выгорать и в центре Солнца будет накапливаться гелий? Модельные расчеты показывают прежде всего, что в ближайшие 5 миллиардов лет практически ничего не изменится. Солнце будет медленно (как показано на рис. 5.1) перемещаться вверх по своему пути развития на диаграмме Г — Р. Светимость Солнца при этом будет постепенно повышаться, а температура на его поверхности вначале станет чуть выше, а затем начнет медленно снижаться. Но все эти изменения будут невелики.

Через 10 миллиардов лет после начала горения водорода светимость Солнца будет всего в два раза выше нынешней. К этому времени человечество (если оно еще будет существовать на Земле) уже давно начнет испытывать климатические трудности. Однако потом станет еще хуже. А пока диаметр Солнца всего в два раза превышает нынешний.

Между тем, в недрах Солнца к этому времени уже произойдут существенные изменения. В центре весь водород уже будет исчерпан. Центральная область целиком заполнена гелием (см. рис. 5.2, в). На этом рисунке изображена модель Солнца в возрасте 12 миллиардов лет. В центре не происходит ядерных реакций, поскольку весь водород уже выгорел, а для превращения гелия в углерод (см. рис. 3.4) температура слишком мала. Только на поверхности этого гелиевого шара, там, где гелий граничит со слоем, богатым водородом, еще происходит сгорание водорода. Постепенно выгорает и этот водород, а радиус гелиевой сферы в центре Солнца увеличивается. Если вначале у нашего Солнца было ядро, где происходили ядерные реакции превращения водорода в гелий, то теперь горение водорода происходит в тонкой сферической оболочке, которая постепенно расширяется и перемещается во внешние области, все еще богатые водородом. С течением времени диаметр гелиевого шара в центре Солнца становится все больше. На диаграмме Г-Р Солнце перемещается направо вверх, в область красных гигантов (как показано на рис. 5.1). Солнечный шар становится все больше и одновременно все холоднее. Через 13 миллиардов лет размеры Солнца станут примерно в 100 раз больше, чем сегодня, а светимость увеличится в 2000 раз. В то же время температура поверхности существенно снизится. Она будет составлять всего 4000 градусов, т. е. на 1800 градусов меньше, чем теперь.

Но нас это уже не спасет. К тому времени океаны на Земле давно уже испарятся, а под палящими лучами Солнца будет даже плавиться свинец. Земля превратиться в горячую печь, на которой уже не сможет существовать жизнь. Над безжизненной поверхностью Земли будет светить гигантский красный солнечный шар размером в полнеба. Было бы, конечно, интересно узнать, насколько верны эти предсказания компьютерной модели.

Наши наблюдения неплохо описывают основные свойства нынешнего Солнца. Но можно ли сделать из этого вывод, что модель так же хорошо предсказывает и печальные для людей последствия его развития? У нас есть для этого прямое подтверждение. Если нанести на диаграмму Г-Р звезды из шарового скопления, то, как мы уже видели на рис. 2.9, на главной последовательности не окажется звезд, светимость которых в 3 раза и более превышает солнечную. Это соответствует примерно 1,3 массы Солнца. Дело в том, что наиболее яркие звезды шарового скопления из главной последовательности уже «сожгли» свой водород. Звезды, массы которых превышают солнечную в 1,3 раза и более, расположены на ветви, которая отходит от главной последовательности направо вверх, в область красных гигантов. Эти звезды развивались примерно так же, как предсказывает наша модель Солнца. Масса этих звезд совсем ненамного превышает солнечную.

На рис. 5.4 изображена диаграмма Г-Р для звезд главной последовательности шарового скопления МЗ. На этой диаграмме черной стрелкой изображен путь развития звезд, подобных Солнцу. Из рис. 5.4 хорошо видно, что звезды шарового скопления развиваются так же, как будет развиваться Солнце в будущем. На диаграмме показаны звезды, которые уже перемещаются по диаграмме направо вверх. Такая судьба постигнет и Солнце через 8 миллиардов лет. Более тяжелые звезды опережают Солнце, они уже сегодня показывают нам, что ожидает в будущем наше Солнце. И если на некоторых планетах, образующихся вокруг этих звезд, когда-то была жизнь, то теперь эта жизнь там уже не существует, и все ее следы давно сгорели в потоке тепла, который испускают эти звезды. Таким образом, астрономические наблюдения подтверждают, что наши предсказания дальнейшей судьбы Солнца, к сожалению, правильны.

Рис. 5.4. Диаграмма Г-Р звезд из шарового скопления МЗ, которая уже была приведена на рис. 2.9. На этом рисунке нанесен путь развития звезд главной последовательности (черная стрелка), который показывает, как звезды главной последовательности перемещаются в область красных гигантов. Массы звезд, покидающих главную последовательность, несколько отличаются от предсказанных (звезды с массами, равными солнечной, все еще находятся на главной последовательности). Химический состав звезд шарового скопления отличается от модельного. Кроме того, общая интенсивность излучения не совпадает с интенсивностью излучения в видимой области спектра, которая приведена на этом рисунке. Поэтому путь развития, показанный черной стрелкой, не удается количественно сопоставить с приведенным на рис. 5.1. Однако качественный вывод остается справедливым: большие звезды в этом шаровом скоплении находятся на стадии развития, в которую еще не вступило наше Солнце.

Нейтрино, образующиеся на Солнце

Мы сравнили полученные нами результаты моделирования с наблюдаемыми свойствами звезд. Диаграмма Г-Р звезд из шарового скопления показала нам, что наша модель правильно предсказывает будущее развитие Солнца, хотя оно и не слишком приятно для человечества. С точки зрения астрофизика наступил полный порядок. Однако осталось одно небольшое несоответствие, которое позволяет специалисту в области ядерной физики утверждать, что, может быть, далеко не все правильно в наших представлениях о жизни и развитии звезд и что наша компьютерная модель может быть полностью неверна.

Причиной для такого сомнения служат практически ненаблюдаемые элементарные частицы, которые возникают при превращении водорода в гелий и почти никак не влияют на процессы, происходящие на Солнце. Это сомнение возникло в результате эксперимента, который был проведен в заброшенной шахте по добыче золота в штате Южная Дакота (США).

Этой частицей является нейтрино. Оно не имеет электрического заряда и практически лишено массы. Нейтрино перемещается со скоростью света. При описании протон-протонной цепочки реакций мы видели, что всякий раз, когда сливаются два ядра водорода, возникают позитрон и нейтрино (см. верхнюю схему на рис. 3.3). Позитрон очень быстро аннигилирует с электроном, в результате чего возникает квант света. Другая судьба у нейтрино. Нейтрино не реагирует с другими элементарными частицами и улетает из места своего возникновения по прямолинейной траектории, нигде не отклоняясь. Окружающее солнечное вещество никак не влияет на нейтрино. Для возникшей новой частицы солнечное вещество как бы не существует. Чтобы полностью защититься от прилетающих к нам нейтрино, потребовалось бы воздвигнуть стену, толщина которой, выраженная в километрах, составляет пятнадцатизначное число. К счастью, от нейтрино не нужно защищаться, поскольку они пролетают сквозь нас, не взаимодействуя ни с одним атомом нашего тела.

Таким образом, нейтрино, возникшие в центре Солнца, улетают по прямолинейным траекториям в пространство и некоторые из них могут достичь поверхности Земли. Для этих частиц не имеет значения, ночь или день стоит в это время на Земле. Днем они прилетают сверху, а ночью — снизу, свободно пронзая земной шар. Если бы у нас был нейтринный телескоп, то с его помощью мы могли бы увидеть в центре Солнца маленькое яркое пятно. Это — область, в которой происходят ядерные реакции водородного цикла и где возникают нейтрино. С помощью такого телескопа мы могли бы увидеть это яркое пятно и ночью, после захода Солнца. Нужно было бы только направить наш телескоп не на небо, а вниз, к Земле, вслед за суточным движением Солнца, так как Земля прозрачна для нейтринного излучения.

Но, к сожалению, нейтринного телескопа не существует, поскольку, чтобы его построить, нужно уметь отклонять нейтрино от прямолинейного пути с помощью линз или зеркал, как отклоняют свет в фотоаппарате или электроны в электронном микроскопе. Но нейтрино всегда летят прямолинейно.

К счастью, существуют изотопы, с помощью которых можно устроить хотя и очень небольшое, но заметное препятствие для нейтрино. Наиболее известным из них является изотоп элемента хлора Сl^37. Если атомы вообще могут останавливать нейтрино, то легче всего это сделать с помощью изотопа Сl^37. В тех редких случаях, когда нейтрино сталкивается с ядром атома хлора, это ядро испускает электрон и возникает атомное ядро элемента аргона (рис. 5.5). В результате реакции возникает не обычный атом этого благородного газа, а изотоп, который распадается приблизительно через 35 дней. На этой реакции основана идея известного эксперимента Раймонда Девиса по изучению солнечных нейтрино.[13] Этот эксперимент известен главным образом тем, что он поставил перед астрофизиками чрезвычайно затруднительные вопросы. Но прежде чем рассказать о нем, мы обсудим еще некоторые трудности.

Рис. 5.5. Нейтрино может привести к превращению атома хлора в атом аргона. При этом освобождается электрон.

С атомами хлора могут взаимодействовать только нейтрино высоких энергий. Нейтрино, которые возникают в реакциях протон-протонной цепочки, обладают слишком низкой энергией. Они не могут взаимодействовать с атомами хлора. Позволяют ли нам наши представления о строении звезд найти на Солнце источник нейтрино с высокими энергиями? Оказывается, что наряду с протон-протонной цепочкой происходят другие, сопутствующие ядерные реакции. Эти реакции не вносят практически никакого вклада в выделение энергии на Солнце, и поэтому мы их пока не рассматривали. Среди этих реакций есть одна, которая происходит тем чаще, чем больше гелия образовалось в недрах звезды. Она схематически показана на рис. 5.6. Нормальный атом гелия с массовым числом 4 сталкивается с ядром изотопа гелия с массовым числом 3. При этом возникает бериллий с массовым числом 7. Если с этим атомом до того, как он самопроизвольно распадется, столкнется протон, то возникнет изотоп бора с массовым числом 8. Такие атомы бора тоже радиоактивны, и они через некоторое время снова превращаются в атомы бериллия. Но в результате такого превращения образуются позитрон и нейтрино с высокой энергией.

Рис. 5.6. В побочной цепи реакций, протекающих наряду с реакциями водородного цикла (см. рис. 3.3), возникает радиоактивный изотоп бериллия Be^8, который испускает позитрон и нейтрино высокой энергии. Красными волнистыми стрелками обозначено испускание квантов света.

Нейтрино, возникающие при такой реакции, как раз подходят для взаимодействия с ядрами хлора! Эти нейтрино также проникают через вещество, практически не взаимодействуя с ним, даже если речь идет о большом количестве хлора. Однако атомы хлора все же взаимодействуют, хотя и очень редко, с пролетающими нейтрино. На этом основан уже упомянутый эксперимент Девиса.

Нейтринный эксперимент Раймонда Девиса

Оказалось, что можно построить детектор для солнечных нейтрино. К сожалению, этот детектор позволяет фиксировать только те нейтрино, которые возникают в результате побочной реакции превращения бериллия в бор. Эта реакция несущественна для астрофизических процессов в недрах звезд. Такой детектор не позволяет увидеть нейтрино, возникающие в результате чрезвычайно важных для Солнца (а значит, и для нас) реакций водородного цикла. Но если наша модель Солнца правильна, то она будет предсказывать и количество высокоэнергетических нейтрино.

Девис задумал такой эксперимент. В большой контейнер помещается 390000 литров перхлорэтилена. Этот контейнер помещен на глубине 1500 метров под землей и дополнительно защищен толстым слоем воды. Такая защита позволяет исключить нежелательные побочные ядерные реакции. Перхлорэтилен представляет собой жидкость, которая применяется главным образом при химической чистке одежды и близка по свойствам к хорошо известному нам четырех-хлористому углероду. Каждая молекула этого вещества содержит четыре атома хлора, среди которых иногда встречается и чувствительный к нейтрино изотоп Сl^37. Использование перхлорэтилена является наиболее дешевой и удобной возможностью сконцентрировать в небольшом объеме много атомов хлора. Эти атомы облучаются в каждый момент времени нейтрино, прилетающими к нам с Солнца. При этом почти ничего не происходит. Многочисленные нейтрино с низкой энергией, которые возникают в результате реакций водородного цикла, проходят через контейнер с перхлорэтиленом, не взаимодействуя с хлором. Однако можно обнаружить нейтрино с высокими энергиями, которые образуются при радиоактивном распаде изотопа бора. Если количество нейтрино высоких энергий правильно оценивается астрофизической моделью Солнца, то в контейнере каждый день в среднем один атом хлора под воздействием солнечного нейтрино будет превращаться в атом аргона.

Чем дольше мы будем ждать, тем больше образуется атомов аргона. Но через 35 дней аргон вновь распадается с образованием хлора. Если перхлорэтилен долго подвергается воздействию потока солнечных нейтрино, то через некоторое время устанавливается своеобразное равновесие: за определенный промежуток времени возникает и распадается в среднем одно и то же количество атомов аргона. К сожалению, концентрация атомов аргона, возникающих в таком контейнере, очень мала. Если наша модель процессов на Солнце правильна, то во всем контейнере будет находиться всего около 35 атомов аргона. Эти атомы нужно отыскать и подсчитать.

Задача о поиске 35 атомов аргона в 610 тоннах жидкости оставляет далеко позади задачу о поиске иголки в стоге сена. Количество атомов хлора только в одном кубическом сантиметре жидкости выражается 22-значным числом, а в контейнере Девиса содержится 390000 литров, т. е. 390 миллионов таких кубических сантиметров! И в этом огромном объеме нужно найти всего-навсего 35 атомов аргона! Но, к счастью, эту задачу можно решить. Атомы аргона можно «отмыть» из перхлорэтилена с помощью гелия, который продувается через объем жидкости. Предварительные опыты показали, что этот способ позволяет выделить из перхлорэтилена примерно 95 % всех атомов аргона. Изотоп аргона, который образуется при взаимодействии хлора с солнечными нейтрино, радиоактивен. Поэтому после выделения этих атомов из контейнера их можно легко подсчитать, фиксируя акты радиоактивного распада.

В жидком перхлорэтилене, который «отмыт» от атомов аргона, образуются новые ядра аргона. Спустя некоторое время они вновь «отмываются» гелием и опять подсчитываются. Таким образом, контейнер с перхлорэтиленом представляет собой неисчерпаемый детектор, в котором постоянно образуются радиоактивные атомы аргона.

В таком контейнере можно ожидать в среднем одно превращение хлора в аргон за сутки. Но, к сожалению, эксперименты, проводившиеся в течение нескольких лет, показали, что одна такая реакция происходит в среднем только раз в четыре дня. Поэтому мы должны прийти к выводу, что на Солнце в каждую секунду образуется только четверть ожидаемых нейтрино с высокими энергиями.

Астрофизики вновь и вновь проверяли свою модель Солнца, а Девис постоянно искал возможные источники ошибок в своем эксперименте. Но несоответствие не исчезло. Что же неправильно в наших уравнениях, описывающих Солнце? Какие ошибки могут содержаться в методике эксперимента в заброшенной шахте по добыче золота?

Трудно себе представить, что все решения, полученные нами с помощью компьютера, неверны. Компьютерная модель Солнца дает слишком хорошее совпадение со многими наблюдаемыми свойствами Солнца. Это мы уже видели выше. В действительности даже небольшие поправки к результатам расчетов позволяют уменьшить ожидаемый поток высокоэнергетических нейтрино, и расхождение с экспериментом исчезает. Чтобы добиться такого результата, достаточно лишь немного понизить температуру в центре Солнца по сравнению с данными нашей компьютерной модели. Непонятно только, почему температура в центре Солнца должна быть меньше, чем предсказывают расчеты.

Расхождение между экспериментом и расчетами можно было бы объяснить, если бы нейтрино могли распадаться со временем. Но современная физика элементарных частиц не допускает такой возможности. Если бы эти частицы, как и некоторые другие, распадались спустя короткое время после своего возникновения (а они летят от Солнца до Земли всего 8 минут), то не было бы ничего удивительного в том, что эксперименты с хлором фиксируют меньше нейтрино, чем предсказывает компьютерная модель. Но физики твердо стоят на том, что нейтрино не могут самопроизвольно распадаться, поэтому такой выход из создавшегося положения недопустим.

Лично я не верю, что наша компьютерная модель может содержать какие-то существенные ошибки. Скорее всего, неправильно подсчитана скорость ядерных реакций взаимного превращения бериллия и бора. Что будет, если два ядра гелия, нормальный Не^4 и легкий Не^3 (с которых начинается эта реакция, рис. 5.6), взаимодействуют друг с другом реже, чем предсказывают специалисты по ядерной физике? Разве на Солнце что-нибудь при этом существенно изменится? Нет, поскольку солнечная энергия возникает в основном за счет реакций водородного цикла, а эти реакции никак не зависят от взаимодействия изотопов гелия. Таким образом, на Солнце ничего не изменится, но уменьшится поток нейтрино высоких энергий, что соответствует результатам эксперимента с хлором. Поэтому я не верю, что опыты с перхлорэтиленом могут существенно изменить наши представления о внутреннем строении Солнца.

Эксперимент с галлием

Кроме хлора существуют и другие элементы, ядра которых могут взаимодействовать с нейтрино. Одним из них является изотоп элемента галлия. Его массовое число составляет 71. После захвата нейтрино этот изотоп превращается в ядро элемента германия. Существенное отличие от эксперимента с хлором состоит в том, что в эксперименте с галлием можно подсчитать и нейтрино низких энергий. Галлиевый детектор считает нейтрино, возникающие в результате реакций водородного цикла. Таким образом, эксперимент с галлием позволил бы определить интенсивность реакции, которая вносит основной вклад в выделение энергии на Солнце, а не фиксировать нейтрино побочной реакции.

Почему же тогда эксперимент с галлием до сих пор никем не поставлен? Первая трудность состоит в том, как подсчитать все атомы германия, возникающие при взаимодействии галлия с нейтрино. Прежде всего необходимо создать соответствующие детекторы. Вторая трудность является общей для всех опытов с нейтрино. Дело в том, что эти частицы очень редко взаимодействуют с атомными ядрами. Чтобы зафиксировать в течение суток хотя бы одно превращение атома галлия в атом германия под воздействием солнечных нейтрино, требуется контейнер по меньшей мере с 37 тоннами галлия. Это количество сравнимо со всеми запасами чистого галлия в мире. Галлий получают как побочный продукт при выработке алюминия. Стоимость одной тонны галлия в настоящее время составляет почти миллион марок ФРГ. Конечно, галлий не расходуется в нейтринном эксперименте, и его можно потом повторно использовать. Однако непонятно, будет ли это существенно дешевле. В то же время известно, что правительство каждого государства должно иметь запас галлия на случай войны, поскольку галлий требуется для электронной промышленности. Так что идея эксперимента с галлием имеет в этом смысле определенные достоинства. Пока писалась эта книга, в Институте ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге был разработан детектор для германия, а в США, Израиле и ФРГ проведены исследования по подготовке предварительного эксперимента, вначале с одной тонной галлия. Полномасштабный эксперимент тоже будет рано или поздно осуществлен. Подтвердит ли он наши представления о внутреннем строении Солнца? Или же астрофизики узнают, что все их догадки о процессах выделения энергии в недрах звезд неверны?

Внимательный читатель может, вероятно, подумать, что, говоря о современном Солнце, мы забыли упомянуть некоторые его свойства. Так, например, мы ничего на сказали о пятнах на Солнце и 11-летнем цикле солнечной активности, о протуберанцах и о хромосферных вспышках, о которых время от времени можно прочесть в газетах. Мы не упоминали об этих явлениях, поскольку наше внимание было сконцентрировано на основных свойствах Солнца. Кроме них существуют многочисленные процессы, которые происходят в верхних слоях нашего светила. Они представляют собой примерно то же самое, что и подобные явления в земной атмосфере. А ведь если бы мы говорили о геологической истории нашей Земли, то, по всей видимости, не стали бы останавливаться на таких явлениях, как гром или молния.

Глава 6

Путь развития тяжелых звезд

Результаты эксперимента по взаимодействию нейтрино с хлором, не нашедшие своего объяснения до сегодняшнего дня, не слишком встревожили астрофизиков. Это объясняется тем, что в подавляющем числе случаев результаты моделирования на ЭВМ очень хорошо совпадают с данными астрономических наблюдений. Об этом и пойдет речь в данной главе. Мы расскажем о развитии звезд, масса которых существенно превышает массу Солнца. В тяжелых звездах запасы ядерного горючего истощаются быстрее, и поэтому в природе звезды такого типа находятся на более поздних стадиях развития, чем наше Солнце. На примере тяжелых звезд астрофизики могут сравнить предсказания компьютерных моделей для поздних фаз развития звезд и реальные процессы, происходящие во Вселенной.

Но, к сожалению, оказалось не так-то просто проследить с помощью компьютера за судьбой тяжелых звезд вплоть до поздних стадий развития. Даже появление в послевоенные годы больших вычислительных машин, которые могли проводить расчеты быстрее и лучше, чем прежде, не слишком помогло в решении такой задачи. Чтобы исследовать эволюцию звезд, нужно было создать новый метод расчета.

Постороннему человеку может показаться удивительным, что в решении той или иной вычислительной задачи новый метод расчета часто дает даже больше, чем появление более мощных и современных компьютеров. Но ведь никто не удивляется, когда наблюдательная астрономия делает существенный шаг вперед после появления нового телескопа или запуска специального астрономического спутника. Открытие новых математических методов служит той же цели, только это не так очевидно: математические методы нельзя изобразить с помощью моделей из дерева или картона, их нельзя сфотографировать и показать на экране в виде красочного слайда, а применять их начинают без церемонии торжественного пуска с перерезанием красной ленточки.

Луи Хеней и его метод

После появления работы Хойла и Шварцшильда в 1955 г. развитие теоретических представлений об эволюции звезд солнечного типа приостановилось. То же самое относится и к теории звезд, масса которых не слишком сильно отличается от солнечной. Модельные расчеты позволили установить, что когда эти звезды попадают в область красных гигантов, температуры в их недрах достигают 100 миллионов градусов. При этой температуре должно начаться превращение гелия в углерод. Но как только в модель для первой ядерной реакции подставляли данные для нового источника энергии, старый метод расчета переставал работать. В то время уже было известно, что гелий выгорает в недрах красных гигантов очень быстро и неравномерно. Это установил еще в 1952 г. Леон Местель в своей кембриджской диссертации. Но тогда никто не догадывался, что, пользуясь прежним методом расчета, принципиально невозможно построить работоспособную модель на ЭВМ.

С тяжелыми звездами дело обстояло еще хуже. В них горение водорода происходит во внутренней, конвективной зоне. Модель должна была предсказывать, что происходит в этой зоне при постепенном выгорании водорода. Оказалось, что при большом обеднении исходной водород-содержащей смеси компьютер «заходил в тупик». Астрофизики ни разу не смогли довести расчет для тяжелых звезд до стадии красных гигантов, что удалось Хойлу и Шварцшильду для звезд типа Солнца. В таком состоянии дело находилось до конца 50-х годов.

В это время на рынке стали появляться все более мощные модели компьютеров, однако это мало помогло астрофизикам. Хойл со своими сотрудниками пытался с помощью численных методов проследить развитие тяжелых звездно без особых успехов. Шварцшильд тоже предпринял неудачную попытку «пробиться» через стадию горения гелия у звезд с массой, близкой к массе Солнца. В это время в Японии работала группа физика Дзусиро Хаяси, которой удалось с помощью очень упрощенной модели, используя арифмометры, практически вручную показать, какая судьба ожидает тяжелые звезды после того, как в их центре исчерпаются запасы водорода. Позже оказалось, что работа японских исследователей дала в общих чертах правильные результаты. Но это стало ясно только после открытия нового метода расчета.

На обратной стороне Луны есть кратер Хеней. Международный астрономический союз дал ему это имя в 1970 г. в честь умершего тогда Луи Хенея, который успешно работал в различных областях астрофизики. Но наибольшее влияние на судьбу этой науки оказал открытый им новый метод расчета, который сегодня все называют методом Хенея.[14]

В августе 1961 г. состоялся конгресс Международного астрономического союза в Беркли (Калифорния). Это был первый из подобных конгрессов, на котором мне довелось присутствовать.

На его заседаниях было сделано множество докладов по специальным разделам астрофизики. Один из них был прочитан Луи Хенеем, который в то время работал на астрономическом факультете Университета в Беркли. Доклад был посвящен новому методу расчета для моделей развития звезд. К тому моменту прошло уже некоторое время с тех пор, как Хеней создал свой новый метод. За несколько лет до конгресса его группа опубликовала статью, посвященную новому методу. Но тогда еще никому в том числе и, вероятно, самому Хенею не было ясно, чего можно добиться с его помощью. Однако за время, прошедшее до начала конгресса в Беркли, авторам удалось существенно упростить и улучшить свой метод.

Хеней не принадлежал к числу ученых, которые работают быстро и публикуют много статей. Поэтому в тот день все, кто интересовался теорией развития звезд, собрались послушать его доклад. Я ничего тогда не понял, но прилежно все записал. Затем после конгресса, в течение полугода работая у Мартина Шварцшильда в Принстоне, я был свидетелем того, как Шварцшильд по своим запискам полностью восстановил метод, изложенный в докладе Хенея. Я тоже разыскал свои записи и смог за несколько дней разобраться в методе Хенея. Шварцшильд применил этот метод к задаче, которая его особенно в то время занимала, о горении гелия в звездах типа Солнца. Спустя некоторое время ему удалось «преодолеть» этот быстрый, взрывной этап развития звезд. Метод Хенея помог ему исследовать стадию развития, которая до сих пор никак не поддавалась изучению! Осенью 1962 г. я возвратился в Мюнхен после пребывания в Пасадене. У меня в кармане были мои разработки по методу Хенея.

В это время в нашем Институте физики им. Макса Планка уже работал астроном Альфред Вайгерт. Он вместе с юной специалисткой по вычислительной математике Эмми Хофмейстер был готов начать расчеты с помощью метода Хенея. Вычислительные возможности бывшего астрофизического отделения Института физики, которое к тому времени превратилось в отдельный институт астрофизики, существенно расширились, и поэтому путь был открыт. Мы хотели довести тяжелую звезду из главной последовательности до стадии красного гиганта. Прежние методы расчета не позволяли при работе с большими звездами даже выйти за пределы главной последовательности.

В марте 1963 г. наша звезда мы выбрали для нее массу в 7 раз больше массы Солнца не только покинула главную последовательность, но и переместилась в область красных сверхгигантов, где в ее недрах началась ядерная реакция превращения гелия в углерод. Мы послали телеграмму в Беркли: «Метод Хенея начал работать в Мюнхене. Спасибо!»

С этого момента началась история звезды с массой в 7 раз больше солнечной.

История звезды с массой в 7 раз больше солнечной

Почему мы взяли такое значение массы? Мы выбрали для расчетов звезду такого размера, поскольку надеялись, что на одной из поздних стадий своего развития такая звезда пройдет через область, в которой существуют переменные звезды определенного типа: так называемые цефеиды. К тому времени еще никому не удавалось понять, как обычная звезда из главной последовательности в ходе своего развития превращается в переменную звезду типа Дельты Цефея. Теперь же, обладая мощным методом Хенея, мы получили надежду достичь этой цели. И действительно оказалось, что наша звезда во время своего развития даже несколько раз проходит через область существования переменных звезд. Однако мы немного забежали вперед. Прежде всего я должен по порядку рассказать, что происходит со звездой с массой в 7 раз больше солнечной.

Мы начали со стадии, когда наша звезда находилась в пределах главной последовательности. На этой стадии недра звезды состоят из вещества, богатого водородом, а все ее свойства совпадают со свойствами других звезд главной последовательности. Дальнейшая история такой звезды схематически показана на рис. 6.1 и 6.2. На рис. 6.1 представлено внутреннее строение на различных стадиях развития звезды. Первоначально химический состав этой звезды был одинаковым во всем ее объеме (рис. 6.1, а). Путь развития показан также на диаграмме Г-Р (рис. 6.2). На этой же диаграмме изображены пути развития звезд с другой массой. Путь развития нашей звезды начинается на главной последовательности и идет, как и ожидалось, в область красных сверхгигантов. Мы уже видели, что запасов водорода тяжелым звездам хватает ненадолго. Данные, приведенные на рис. 2.11, позволяют грубо оценить, что звезда с массой в 7 раз больше солнечной может существовать за счет своих запасов водорода многие десятки миллионов лет. На протяжении этого времени конвективное ядро такой звезды постоянно обогащается гелием. При этом общее внутреннее строение звезды изменяется незначительно. Ее радиус становится немного больше, температура поверхности сначала понижается, а затем снова увеличивается, в то время как светимость постоянно немного растет. В соответствии с этим звезда медленно перемещается по диаграмме Г-Р (см. рис. 6.2) вначале направо, а затем снова налево. Все это время звезда находится в пределах полосы, где расположены другие звезды главной последовательности. Только спустя примерно 26 миллионов лет после начала горения водорода в недрах звезды начинает исчерпываться запас «ядерного топлива». Тогда внутреннее строение такой звезды существенно изменяется. Приток энергии из центральных областей уже не позволяет поддерживать прежнюю светимость. Поэтому начинается ядерное горение водорода в слоях, которые расположены ближе к поверхности. Область, где теперь идет горение водорода, образует сферическую оболочку вокруг «выгоревшего» ядра. Эта стадия развития напоминает соответствующий этап в развитии Солнца (см. рис. 6.1, б). Над тонким сферическим слоем находится богатое водородом вещество исходного состава, а под ним-область, состоящая главным образом из гелия. Теперь звезда состоит из гелиевого ядра, на поверхности которого продолжается ядерная реакция превращения водорода в гелий.

Рис. 6.1. Внутреннее строение звезды с массой в 7 раз больше солнечной на разных стадиях ее развития. Звезды в левой части рисунка изображены в одинаковом масштабе. Правее показано строение внутренней части звезд. Эти рисунки увеличены. На рис. г и е внутренние области увеличены дважды. Обозначения такие же, как и на рис. 4.2 и 5.2. При ядерном горении гелия возникает углерод. Слой, обогащенный углеродом, показан малыми черными кружками, а — молодая звезда, находящаяся на главной последовательности. Внутренняя часть звезды занята конвективным слоем; б — та же звезда через 26 миллионов лет. Диаметр звезды практически не изменился, однако во внутренней области уже начался переход к горению в сферическом слое. Это показано на левой верхней плоскости схематического разреза; в — 26,5 миллионов лет спустя после начала горения водорода в центре звезды образуется область, обогащенная гелием. Горение водорода идет только в тонком сферическом слое. Радиус звезды резко возрос. В звезде возник толстый внешний конвективный слой, который хорошо виден на правой верхней плоскости разреза в левой части рисунка; г — внутреннее строение звезды через 100000 лет после начала ядерной реакции превращения гелия в углерод. Теперь в звезде идет горение гелия в центре и горение водорода во внешнем сферическом слое. Радиус звезды стал еще больше; д — через 34 миллиона лет после начала горения водорода в центре звезды исчерпывается запас гелия. Теперь ядерное горение происходит в двух сферических слоях: во внешнем водород превращается в гелий, а во внутреннем гелий превращается в углерод. Звезда стала существенно меньше и потеряла свою внешнюю конвективную зону; е — еще через 2 миллиона лет звезда вновь становится красным сверхгигантом. В ней больше нет слоя, где происходит горение водорода. Теперь звезда существует только за счет ядерной реакции превращения гелия в углерод. Ее химический состав сильно усложнился. Во внешнем слое по-прежнему существует исходное, богатое водородом вещество, ниже лежит толстый слой гелия, который окружает центральную область, состоящую из углерода.

Рис. 6.2. Пути развития звезд с различными массами (возле траекторий указаны величины их масс в единицах массы Солнца). Если путь развития звезды с массой, равной солнечной, ведет ее в область красных гигантов (см. также рис. 5.1), то более тяжелые звезды приходят в область красных сверхгигантов. Траектория развития звезды с массой в 7 раз больше солнечной показана красным цветом. На этой траектории буквами отмечены точки, для которых на рис. 6.1 показана внутренняя структура этой звезды. Параллельные штриховые линии ограничивают на диаграмме область существования цефеид.

Дальнейшее развитие идет очень быстро. Гелиевое ядро под сферическим слоем, в котором идет ядерная реакция, сжимается и разогревается, в то время как внешние слои звезды разрежаются и становятся все холоднее. Температура поверхности резко падает, тогда как светимость остается практически прежней. При этом звезда перемещается на диаграмме Г-Р по горизонтали направо. Она становится красным сверхгигантом (см. рис. 6.1, в и 6.2). Этот переход происходит всего за 500 000 лет. За это относительно короткое время звезда пересекает слева направо всю диаграмму Г-Р.

В области красных сверхгигантов начинается еще один новый процесс. При охлаждении внешних слоев звезды они становятся менее прозрачными для излучения. Поэтому роль основного механизма переноса энергии переходит здесь от излучения к конвекции. Теперь в структуре звезды возникает очень толстая конвективная зона, которая простирается от поверхности почти до центра звезды. В ней оказывается заключено примерно 70 % всей массы звезды. Однако эта зона, в которой звездное вещество постоянно перемещается вверх и вниз, не проникает до самого центра звезды, и вновь возникший гелий не перемешивается с внешними слоями. Конвективное движение «не тревожит» гелиевое ядро. Но и для этой части звезды наступает новая фаза развития. В то время как внешние слои разрежаются, «прогоревшее» гелиевое ядро сильно сжимается. При этом плотность в центре повышается настолько, что один кубический сантиметр вещества весит теперь более 6 килограммов. При сильном сжатии температура повышается и, наконец, достигает 100 миллионов градусов. Мы уже знаем, что при такой температуре гелий может превращаться в углерод. Следовательно, через 26,5 миллионов лет после того как в недрах нашей звезды началось горение водорода, появляется новый источник энергии: ядерное превращение гелия в углерод (см. рис. 3.4). Эта ядерная реакция происходит, как когда-то горение водорода, во внутреннем объеме звезды, около ее центра. Здесь вновь возникает конвективное ядро, однако его размеры относительно малы. Теперь светимость звезды поддерживается двумя источниками энергии: сферическим слоем, в котором горит водород, и ядерными реакциями в центре, где гелий превращается в углерод (см. рис. 6.1, г).

И тут развитие нашей модельной звезды сильно усложняется. Наиболее глубокая область обогащается углеродом, и с течением времени запас гелия в этой области истощается. Через 6 миллионов лет после начала превращения гелий в центре звезды выгорает. Как и ранее, образуется сферическая оболочка, в которой продолжается превращение гелия в углерод. Теперь химический состав звезды становится очень неоднородным: снаружи по-прежнему наблюдается богатая водородом смесь исходного состава, сохранившаяся еще с «рождения» звезды, далее идет слой гелия, и, наконец, — центральная сфера, состоящая из углерода. На двух границах раздела там, где исходная смесь переходит в гелий, и там, где гелий граничит с углеродом, происходят ядерные реакции. Теперь у звезды есть два сферических слоя, где происходит ядерное горение вещества (см. рис. 6.1, д). Такая звезда многократно перемещается слева направо и обратно по диаграмме Г-Р, однако большую часть времени она проводит в области красных гигантов. Через некоторое время внешний слой, где горит водород, гаснет. Теперь звезда существует только за счет ядерного горения гелия (рис. 6.1, е). Процессы, протекающие в ее недрах, еще больше усложняются. Рано или поздно центральная часть звезды разогревается до таких высоких температур, когда углерод начинает превращаться в более тяжелые элементы, и ядерное горение звездного вещества продолжается.

Такова история жизни звезды с массой в 7 раз больше солнечной, которую мы узнали с помощью наших расчетов в 1963 г. Многие исследователи проводили аналогичные расчеты для звезд с другими массами. Путь развития таких звезд мало отличается от истории нашей звезды с массой в 7 солнечных. Подобные расчеты для множества различных звезд были проведены Пьером Демарком и Ико Ибеном в США, а также Богданом Пачинским в Польше. Они сравнили результаты своих расчетов с наблюдениями. В общем можно сказать, что звезды с массами в интервале примерно от двух до шестидесяти солнечных развиваются по схеме, которая очень похожа на развитие звезды с массой в 7 солнечных, о которой мы только что говорили. Звезды с массой меньше двух солнечных развиваются так же, как наше Солнце.

Пути развития звезд и диаграмма Г-Р для звездного скопления

Только что мы проследили историю развития звезды с массой в 7 раз больше солнечной до начала ядерного горения углерода в ее недрах. В настоящее время неясно, как протекает дальнейшая жизнь таких звезд. Однако изученная нами часть эволюции звезд уже позволяет сравнить эти результаты с данными астрономических наблюдений. Проведя такое сравнение, мы сможем узнать, насколько правильно наши машинные расчеты для процессов в недрах звезд позволяют предсказать картину, которую мы наблюдаем на звездном небе. Раньше мы уже говорили, что звезды развиваются слишком медленно, и поэтому мы не можем последовательно шаг за шагом проследить развитие каждой звезды и проверить, на самом ли деле ее светимость и температура поверхности меняются таким образом, что звезда перемещается по диаграмме Г-Р из точки на главной последовательности вдоль теоретической траектории в область красных гигантов. Поэтому для проверки теории существуют другие, косвенные способы сравнения с наблюдательными данными. Посмотрим еще раз на схемы развития звезд с одной и семью солнечными массами, показанные на рис. 6.2. Оба эти пути ведут из главной последовательности в область красных гигантов и сверхгигантов. Предположим, что горение водорода началось в недрах этих двух звезд одновременно. В этом случае более тяжелая звезда уже через несколько миллионов лет начнет перемещаться направо по диаграмме Г — Р, в то время как более легкая еще много миллиардов лет будет оставаться в пределах главной последовательности.

Если мы рассмотрим звездное скопление, то окажется, что оно состоит из звезд с разными массами. Если эти звезды возникли примерно в одно время, то тяжелые звезды скопления будут находиться на более поздней стадии развития, чем легкие звезды. Чтобы наблюдать этот эффект, мы с Альфредом Вайгертом в 60-е годы разработали метод, который позволяет наблюдать за различным ходом развития звезд в одном звездном скоплении. Мы рассмотрели искусственное звездное скопление, которое состояло из 190 звезд. Массы этих звезд лежали в интервале от 23 масс Солнца до половины солнечной массы. Распределение звезд по массам было выбрано таким образом, чтобы оно было похоже на распределение звезд по массам в одном из реальных звездных скоплений. Так, например, всего 6 звезд были тяжелее десяти масс Солнца, в то время как в интервале от одной до двух солнечных масс лежало 42 звезды. Для каждой из этих звезд мы построили историю развития.

Начнем наши расчеты в тот момент, когда все звезды лежат на главной последовательности, и изобразим это искусственное звездное скопление на диаграмме Г — Р. В этом случае мы получим нормальную главную последовательность (рис. 6.3, а). Уже через три миллиона лет мы заметим, что в наиболее ярких звездах главной последовательности (они, конечно же, и наиболее тяжелые) водород вблизи центра частично исчерпывается. Эти звезды покидают главную последовательность. Спустя 30 миллионов лет после начала горения водорода наиболее тяжелые звезды нашего искусственного звездного скопления уже заметно смещаются вправо (рис. 6.3, 6) и успевают пройти все фазы своего развития, которые в настоящее время удается моделировать с помощью компьютера. Они находятся в таком состоянии, которое теория не может описать. Эти звезды мы исключали из рассмотрения, поскольку наши расчеты не позволяли дальше следить за их развитием, и они не показаны на следующих диаграммах рис. 6.3.

Рис. 6.3. Четыре диаграммы Г-Р для воображаемого звездного скопления на разных стадиях его развития. Каждая точка на диаграммах соответствует звезде с определенной массой. Эти точки перемещаются с течением времени по диаграмме. Траектория этого перемещения определяется компьютерной моделью развития звезд. На каждом из рисунков показано расположение таких точек для соответствующих моментов времени.

Диаграмма Г-Р для искусственного звездного скопления в возрасте 30 миллионов лет уже имеет черты сходства с диаграммой Г-Р наблюдаемого звездного скопления. Теперь главная последовательность заполнена звездами только до определенной светимости, в то время как справа от нее расположены красные сверхгиганты. На рис. 6.3, в показано искусственное звездное скопление через 66 миллионов лет после начала горения водорода. Теперь главная последовательность опустела еще больше. Ее покинули звезды с меньшей массой, они переместились в область красных гигантов.

На рис. 6.3, г приведена диаграмма Г-Р нашего искусственного звездного скопления в возрасте 4,2 миллиарда лет. Ее вид существенно отличается от исходной диаграммы. Теперь только самая нижняя часть главной последовательности заполнена звездами. Видно, как более тяжелые звезды образуют изгиб вправо, после которого звезды размещаются вдоль ветви, круто идущей вверх. Эта диаграмма заметно отличается от предыдущих, поскольку легкие звезды развиваются не так, как тяжелые. На рис. 6.3, г показаны звезды типа нашего Солнца, которые перемещаются в область красных гигантов. Если сравнить нашу диаграмму для искусственного звездного скопления с диаграммой Г-Р шарового звездного скопления на рис. 2.9, то мы увидим, что ее характерная структура напоминает диаграмму для очень старого звездного скопления. Здесь мы подошли к границам возможностей современной теории развития звезд. Астроном, изучающий реальное звездное скопление, увидит, как и теоретик, что нижняя часть главной последовательности заполнена звездами и что более тяжелые звезды расположены вдоль кривой, которая вначале изгибается направо, а затем резко идет вверх. Однако наблюдатель увидит еще и множество звезд, светимость которых в видимой области спектра в сотни раз превышает светимость нашего Солнца и которые расположены вдоль горизонтальной линии на диаграмме Г-Р. Эта так называемая горизонтальная ветвь на диаграмме Г-Р шарового звездного скопления отсутствует на диаграмме Г-Р нашего искусственного, вымышленного скопления. Значит, в реальном скоплении имеются звезды, находящиеся на таких стадиях развития, которые современная теория еще не может описать. Вспомним, что когда в наших расчетах звезды проходили все известные стадии развития, мы удаляли их из нашего скопления и больше не рассматривали. Поэтому они отсутствуют на последней картинке.

Таким образом, наши расчеты смогли объяснить важные особенности диаграммы Г-Р наблюдаемого звездного скопления. Теперь мы уже точно знаем, почему заполнена звездами только нижняя часть главной последовательности и почему более тяжелые звезды перемещаются направо, в область красных гигантов. Мы надеемся, что наши компьютерные модели описывают реальные процессы в недрах звезд. Такое мнение подтверждается и другими результатами.

Пульсирующие звезды

Вернемся к развитию звезды, масса которой в 1 раз больше солнечной. Мы пока еще не обращали внимания на то, что наша звезда во время своего развития несколько раз пересекает примечательную полосу на диаграмме Г-Р, которая на рис. 6.2 ограничена двумя параллельными штриховыми линиями. В этой полосе расположены переменные звезды типа Дельты Цефея, так называемые цефеиды.

Звезда Дельта Цефея является одной из наиболее ярких в этом созвездии. В 1784 г. Джон Гудрайк заметил, что яркость этой звезды меняется. Позже мы еще вернемся к другому важному открытию этого рано умершего глухонемого английского астронома. Вскоре было обнаружено, что яркость этой звезды изменяется с периодом в 5 дней (рис. 6.4). Максимальная яркость этой звезды примерно в 2,5 раза превышает минимальную. Впоследствии было обнаружено много таких звезд. Периоды изменения их яркости различны, в интервале от одного до 40 дней. Температура их поверхности составляет примерно 5300 градусов. Величина их светимости показывает, что они не принадлежат к главной последовательности. Все цефеиды достигли в своем развитии области красных гигантов.

Рис. 6.4. Зависимость яркости звезды 5 Цефея от времени. Яркость этой звезды возрастает и убывает с периодом 5,4 дня.

Мы уже видели, что путь развития звезды с массой в 7 раз больше солнечной много раз проходит через эту стадию. Первый раз наша звезда пересекает полосу цефеид слева направо. Чтобы миновать эту полосу, такой звезде нужно около тысячи лет. Второй раз она проходит ее справа налево и для этого нужно уже 350000 лет. В это время в недрах звезды уже началось ядерное превращение гелия в углерод, поэтому звезда перемещается по диаграмме Г-Р медленно, ее движением «управляет» горение гелия. Что происходит со звездой, которая достигает на своем пути область, где расположены цефеиды? Почему изменяется ее светимость, когда она находится в полосе, показанной на рис. 6.2 пунктирными линиями? Чем определяется период изменения яркости? Сегодня мы знаем, что меняется не только светимость: звезда периодически увеличивается и уменьшается в размерах в такт с изменением яркости. Такая звезда пульсирует. Почему же пульсируют звезды, когда они находятся в определенной полосе на диаграмме Г-Р?

Строго говоря, ответ на этот вопрос можно найти уже в книге Эддингтона о внутреннем строении звезд, которая вышла в 1926 г. Однако сэр Артур С. Эддингтон, умерший в 1944 г., так и не узнал, насколько близко он подошел к разгадке поведения пульсирующих звезд почти за двадцать лет до того. Следующий большой шаг в решении этой проблемы вслед за Эддингтоном сделал в 1952 г. советский математик Сергей Жевакин. Но вначале его работа была мало кому известна. Только в 1961–1961 годах Джон Кокс из Боулдера (Колорадо) и Норман Бейкер (Нью-Йорк) вместе со мной провели в Мюнхене более точные расчеты, которые подтвердили теорию Эддингтона — Жевакина для пульсации цефеид. Еще и сегодня мы не можем детально объяснить все свойства таких звезд, однако в основном понимаем, почему они пульсируют. Я покажу это на примере простой модели. Конечно же, такая модель позволяет объяснить только главные эффекты.

Термодинамическая модель для переменных звезд (цефеид)

Гравитационные силы удерживают звездное вещество от разлетания. В нормальной звезде давление газа и сила тяжести в точности уравновешивают друг друга. Простая модель позволяет рассмотреть некоторые особенности такого равновесия, о котором мы часто говорили выше. На рис. 6.5, а показан подвижный тяжелый поршень, который может перемещаться в цилиндре. В цилиндре под поршнем находится газ. Поршень сжимает этот газ и мешает молекулам газа разлететься. Сила тяжести прижимает поршень вниз, однако он не может опуститься до самого дна. Он находится на определенной высоте над дном цилиндра. Если поршень опустится ниже, то газ под ним дополнительно сожмется, его давление возрастет и вернет поршень обратно в положение равновесия. Когда поршень неподвижен, его вес в точности компенсируется давлением газа под ним. Такое состояние очень похоже на равновесие между силой тяжести и давлением газа в любой точке в недрах звезды.

Рис. 6.5. Сжатие газа поршнем в цилиндре позволяет смоделировать процессы в цефеидах, а-в цилиндре с поршнем (слева) и в недрах звезды (справа) сила тяжести и давление газа находятся в равновесии; б — если привести поршень в движение, то он будет колебаться, но силы трения скоро остановят его; в — через газ, находящийся в цилиндре, проходит излучение. Если в сжатом состоянии газ поглощает больше энергии, чем в разреженном, то давление газа будет действовать против сил трения и периодическое движение поршня не будет затухать.

Если же мы теперь специально выведем поршень из равновесия и немного прижмем его вниз, то поршень начнет колебаться. Если поршень опустится ниже положения равновесия, то давление сжавшегося газа превысит его вес и вытолкнет поршень обратно. Если же он поднимется выше положения равновесия, то давление газа упадет, и сила тяжести вновь вернет поршень вниз. Теперь поршень уже не будет оставаться в положении равновесия. Если он однажды придет в движение, то затем уже будет по инерции проскакивать положение равновесия и начнет колебаться вверх и вниз между двумя крайними точками. Газ при этом служит своего рода пружиной. При сжатии поршень передает газу часть своей энергии. Во время расширения газа эта энергия возвращается поршню. Потери энергии не происходит, поскольку в нашей модели трение пренебрежимо мало. При таких условиях поршень будет перемещаться в цилиндре бесконечно долго. Если трение отсутствует, то максимальное отклонение поршня от средней точки будет постоянным. Период движения поршня зависит от характеристик нашей модели, например от массы поршня и от средней температуры газа.

Поведение звезд в общих чертах напоминает нашу модель. Если сжать звезду равномерно со всех сторон, а затем «отпустить», то возросшее давление газа будет расталкивать звездное вещество во все стороны наружу, и диаметр звезды превысит равновесное значение. После этого сила тяжести окажется больше давления газа. Она будет возвращать газ в сторону центра звезды. Звезда начнет пульсировать. Если ее однажды вывести из равновесия, то затем эти пульсации будут продолжаться долго. Период пульсации звезды можно вычислить по аналогии с периодом пульсации нашего поршня, зная ее свойства: массу, распределение температуры по глубине, а также ее внутреннее строение.

Однако мы слишком упростили нашу модель — как для поршня, так и для звезды. На поршень, конечно же, действуют силы трения. Размах его колебаний будет постепенно уменьшаться под действием этих сил, и, наконец, колебания затухнут. Спустя некоторое время поршень остановится (см. рис. 6.5, б). В недрах звезды тоже происходят процессы, подобные трению, которые тормозят ее колебания. Можно рассчитать, что если искусственно вывести звезду из равновесия, то она совершит всего 5-10 тысяч колебаний. Чтобы вернуться в равновесие, звезде потребуется лишь около 100 лет. Однако наблюдения показывают, что звезда Дельта Цефея, открытая в 1784 г., пульсирует с неизменной силой. Что же служит мотором, который поддерживает пульсации этих звезд, хотя они, казалось бы, должны были затухнуть за относительно короткое время?

Эддингтон предложил в своей книге один из возможных способов объяснения такого процесса. Сквозь внешние слои каждой звезды проникает излучение, возникающее в ее центре. Чтобы имитировать этот процесс с помощью нашей модели, представим себе, что цилиндр изготовлен из прозрачного материала, а сквозь него проходит мощное световое излучение (см. рис. 6.5, в). Газ внутри цилиндра, как и звездное вещество, не совсем прозрачен. Он поглощает часть этого излучения.

При этом газ в цилиндре нагрет так сильно, что разница температур между газом и окружающей средой очень велика, и цилиндр излучает за каждую секунду точно столько же энергии, сколько получает газ за счет частичного поглощения световых лучей.

Теперь выведем поршень из равновесия и немного сожмем газ. При этом давление и температура газа возрастут. Тогда в принципе могут реализоваться два различных случая. Сжатый газ может поглощать излучение сильнее или слабее, чем разреженный. Рассмотрим вначале первый случай. Если поглощение возрастает при сжатии, то, когда поршень опустится, температура газа будет повышаться быстрее, чем в положении равновесия. При этом газ нагреется, и его давление возрастет больше, чем просто под воздействием поршня. Избыточное давление сильнее вытолкнет поршень наружу, чем в первом случае. После того, как поршень минует положение равновесия, газ станет разреженным, а его температура упадет. При этом он будет поглощать меньше энергии, чем в положении равновесия. Газ охладится, его давление уменьшится, и поршень быстро опустится, преодолевая силу трения.

То же самое справедливо и для звезд. Если звездное вещество в определенном слое звезды будет при сжатии поглощать больше энергии и разогреваться, то эта звезда сможет пульсировать, а пульсации будут поддерживаться излучением, которое возникает в ее недрах. Если такая звезда сожмется, то излучение, идущее из ее недр к поверхности, не будет так же легко, как прежде, проходить сквозь ее внешние слои. При этом газ разогреется и звезда расширится. Расширение наступает после фазы сжатия. Вещество становится более прозрачным, оно пропускает больше энергии в окружающее пространство, внутренние части звезды охлаждаются, и сила тяжести снова приведет к сжатию звезды. Звездное вещество служит своего рода вентилем для проникающего наружу излучения. Этот вентиль открывается и закрывается в ритме пульсаций звезды.

Такой механизм Эддингтон описал в своей книге уже в 1926 г. Но, к сожалению, во времена Эддингтона ученые еще очень мало знали о том, как излучение проходит через звездное вещество. Все известные факты говорили о том, что при сжатии звездное вещество должно становиться более прозрачным. Если это так, то все происходит совсем наоборот: поглощение излучения будет действовать в противоположном направлении и не только не будет усиливать колебаний, но еще больше затормозит их. Именно по этой причине сам Эддингтон отверг предложенный им механизм и до самой своей смерти пытался найти другое объяснение для пульсаций цефеид.

Новый подход Жевакина к старой идее

К началу 50-х годов характеристики прозрачности звездного вещества были уже довольно подробно изучены. Оказалось, что представления Эддингтона справедливы для глубоких слоев звезд. Во внешних слоях прозрачность вещества, наоборот, уменьшается с давлением. Такие свойства характерны для звезд как раз тогда, когда температура их поверхности составляет около 5300 градусов. Жевакин в 1953 г. показал в своей фундаментальной, но долго остававшейся неизвестной работе, что в цефеидах прозрачость внешних слоев меняется достаточно сильно для того, чтобы противодействовать «силам трения» и непрерывно поддерживать колебания яркости и размеров таких звезд. Таким образом, в цефеидах «вентильный механизм» Эддингтона не ускоряет затухания колебаний, а напротив поддерживает их.

В 1963 г. наша мюнхенская группа установила, что звезда с массой 7 масс Солнца во время своего развития 5 раз пересекает полосу цефеид. Тут пригодились старые расчеты, которые мы с Норманом Бейкером провели в Мюнхене еще в 1960 г. Полученные тогда решения позволили проверить, будет колебаться звезда или нет. Мы обнаружили, что каждый раз, когда путь развития звезды пересекает полосу цефеид, наша модель предсказывает возникновение колебаний, а период колебаний очень хорошо согласуется с данными наблюдений. Мы, таким образом, установили, что цефеиды с их переменными свойствами, несомненно, укладываются в нашу схему развития звезд, которая неплохо описывает их свойства. Всякий раз, когда звезда на своем пути по диаграмме Г-Р пересекает полосу цефеид, ее блеск и размеры будут периодически изменяться. Как только она покидает полосу звезд типа Дельты Цефея, свойства внешних слоев изменяются и механизм, поддерживающий колебания, перестает работать. Колебания прекращаются.

Мартин Шварцшильд сказал однажды: «Когда звезда находится в полосе цефеид, она напоминает человека, больного корью. Если человек болен, то это по нему видно с первого взгляда, однако после выздоровления уже нельзя сказать, болел он когда-нибудь корью или нет».

Глава 7

Звезды на поздних стадиях развития

Что произойдет с нашей звездой, масса которой в 7 раз больше солнечной, когда в ее центре выгорит весь гелий? Будет ли и дальше один источник ядерной энергии заменяться другим? Станет ли повышаться температура ядра, пока при 300 миллионах градусов не начнется ядерное горение углерода? К сожалению, сегодня пока еще очень трудно проследить за последующим развитием звезд с помощью вычислительной машины. После выгорания гелия в центре звезды температура и давление продолжают увеличиваться. Это ведет к горению углерода. Однако здесь возникают новые трудности.

Нейтринное охлаждение; периодическое изменение интенсивности ядерных реакций

Когда давление и температура в центре звезды становятся достаточно высокими, при встрече электрона и кванта света могут возникать две новые элементарные частицы (рис. 7.1). Одну из них мы уже знаем это нейтрино. Вторая частица очень похожа на нейтрино, ее называют антинейтрино. Свойства этой частицы очень похожи на свойства обычного нейтрино. Антинейтрино тоже свободно проникают через звездное вещество и вылетают наружу. Звезды прозрачны не только для нейтрино, но и для антинейтрино. При рождении пары таких частиц (нейтрино и антинейтрино) расходуется энергия их «родителей» — электронов и квантов света. Эта энергия принадлежит теперь родившимся «близнецам» и свободно уносится ими в космическое пространство. Когда центральная область звезды сжимается, там повышается температура и приближается начало ядерной реакции горения углерода. Одновременно возникает все больше пар нейтрино-антинейтрино. Они уносят энергию и охлаждают внутренние области звезды. При этом ядерное горение углерода прекращается или по крайней мере сводится к минимуму. Когда превращение углерода в другие элементы все же начинается, эта реакция происходит взрывообразно. Не исключено, что при таком взрыве может разрушиться вся звезда. Чтобы точно узнать последствия таких процессов, нужно провести модельные расчеты для этой фазы развития звезд. Однако это сопряжено с новыми трудностями.

Рис. 7.1. При температурах свыше 100 миллионов градусов при столкновении электрона (серый шарик) с квантом света (красная волнистая стрелка) может образоваться пара нейтрино антинейтрино.

На поздних стадиях развития звезд, когда энергия выделяется за счет горения водорода и гелия в двух сферических слоях, ядерные реакции протекают неравномерно. Выделение энергии возрастает и убывает с периодом в несколько сотен лет. Вначале светимость звезды определяется в основном ядерной реакцией горения водорода, затем основную роль начинает играть выделение энергии при горении гелия. Эти процессы чередуются друг с другом. Над «работающим» сферическим слоем возникают области конвективного перемешивания звездного вещества. Через некоторое время это конвективное перемешивание прекращается. Для точного моделирования этих процессов с помощью вычислительной машины нужно по отдельности исследовать зажигание и угасание каждого из сферических слоев, где происходит горение ядерного топлива. Чтобы смоделировать один период изменения яркости, нужно построить по меньшей мере около сотни моделей внутренней структуры звезды. Эти сто моделей соответствуют примерно ста годам реальной жизни звезды. Нам же нужно следить за развитием звезды на протяжении нескольких миллионов лет. Мы видим, что это практически неразрешимая задача. Все исследовательские группы, которые изучают развитие звезд с помощью компьютерных моделей, не смогли до настоящего времени преодолеть эти трудности.

Собственно говоря, даже если бы мы смогли решить задачу, то затем перед нами возникли бы новые проблемы. Ядерное горение стало бы еще более сложным. Когда два ядра атомов углерода сталкиваются и взаимодействуют друг с другом, результатом этой реакции могут служить разные продукты. Возникают ядра магния, кислорода, неона или натрия. Все эти ядра синтезируются с различной вероятностью. Химический состав звезды еще больше усложняется. Кроме того, ядерное горение многих более тяжелых элементов начинается при близких значениях температуры. Иными словами, в одном и том же месте звезды могут одновременно протекать различные ядерные реакции. Создатели компьютерных моделей вынуждены были отступить перед столь сложной задачей. На этом этапе развития звезд были исчерпаны возможности построения компьютерных моделей. Теперь мы уже не можем точно сказать, что происходит дальше со звездами. Тем не менее можно выдвинуть некоторые разумные предположения.

Белый карлик в недрах красного гиганта

Когда компьютерная модель уже не может предсказать последующее развитие звезды, мы можем попытаться взглянуть на негo и подумать, могут ли наблюдательные данные подсказать нам, что же будет дальше? Где мы должны искать ответ на этот вопрос? Что представляет собой структура звезды на последней стадии, которую удалось смоделировать с помощью ЭВМ?

Когда звезда с массой в 7 раз больше солнечной в ходе своего развития достигла стадии, на которой кончаются наши вычислительные возможности, ее центральная область сильно сжата, плотность вещества в этой области очень высока. Перед этим в центре звезды вначале полностью выгорел водород, а затем гелий. Когда наша звезда еще находилась на главной последовательности, плотность вещества в ее центре была меньше одной сотой плотности воды. Спустя некоторое время после выгорания водорода и гелия плотность в центре звезды возрастает до 10 тонн на кубический сантиметр. Мы знаем, что вещество с такой высокой плотностью наблюдается в белых карликах.

Таким образом, в недрах нашей звезды, которая находится на поздней стадии развития, имеется ядро с очень высокой плотностью. Масса этого ядра чуть больше массы Солнца. Его радиус близок к радиусу белого карлика с такой же массой. Все свойства такого ядра должны напоминать свойства белого карлика за исключением того, что вокруг него имеется огромная газовая оболочка, масса которой примерно в 6 раз больше массы Солнца. Это справедливо для всех красных гигантов и для еще более ярких сверхгигантов, в центре которых выгорел гелий. Во всех таких звездах есть тяжелое ядро, так же, как в рассматриваемой нами звезде с массой в 7 раз больше солнечной. В середине красного гиганта спрятан белый карлик! Если бы мы могли удалить газовую оболочку, окружающую плотное ядро, то осталась бы звезда, ничем не отличающаяся от обычного белого карлика. Может ли звезда, которая находится на последней стадии развития, сбросить свою газовую оболочку и превратиться в белый карлик, похожий на спутник Сириуса?

Прежде чем ответить на этот вопрос, мы еще раз вернемся от наших тяжелых звезд к звездам, масса которых близка к солнечной. Насколько далеко можно проследить за их эволюцией с помощью компьютерных моделей?

Дальнейшая судьба Солнца

Как мы уже видели, быстрое начало горения гелия в недрах звезд, подобных Солнцу, приводит к большим трудностям при моделировании их развития с помощью вычислительной машины. Однако с помощью метода Хенея Шварцшильд и его сотрудник Рихард Херм смогли в 1962 г. проследить за гелиевой вспышкой. Так называют резкое начало горения гелия в недрах звезды. Что же происходит там? Дальше я буду придерживаться результатов расчетов, которые выполнил Ханс-Христоф Томас в 1967 г. в своей диссертационной работе в Мюнхене.

Вспомним вначале: наша звезда с массой, близкой к солнечной, находится в правой верхней части диаграммы Г-Р (см. рис. 5.4), а в ее центре уже закончилось горение водорода. Там образовалась сферическая область, состоящая из гелия, на поверхности которой все еще идет горение водорода в богатом водородом сферическом слое. Этот слой очень разрежен, а сама звезда уже превратилась в красный гигант (см. рис. 5.2, г).

По мере того как на поверхности гелиевой сферы происходит дальнейшее превращение водорода в гелий, масса центральной гелиевой области все больше возрастает. При этом увеличиваются плотность и температура в центре звезды. Вскоре здесь начинается превращение квантов света и электронов в пары нейтрино-антинейтрино. Вместе с этими частицами уносится часть энергии из внутренней области звезды. Она постепенно охлаждается. Теперь в нашей звезде возникает необычная ситуация. Если в большинстве звезд наиболее высокая температура наблюдается в центре, то из-за нейтринного охлаждения область в самой середине нашей звезды имеет более низкую температуру, чем сферический слой, окружающий центр звезды. Этот сферический слой с самой высокой температурой лежит тем не менее в пределах гелиевой сферы. В этой наиболее горячей области начинается ядерное горение гелия. Поскольку горение гелия протекает при высокой плотности звездного вещества, эта ядерная реакция возникает внезапно. Такой процесс называют гелиевой вспышкой. Следовательно, гелий в недрах звезды загорается очень быстро, и трудно надеяться, что на этой стадии развития сильно изменится «внешний облик» нашего Солнца. Звезда, состоящая из огромного количества вещества, очень слабо отреагирует на временное увеличение выделения энергии в своих недрах. Интенсивное горение гелия происходит в звездных недрах примерно в течение двухсот лет. После этого начинается равномерная ядерная реакция превращения гелия в углерод.

Впоследствии у звезды с массой, близкой к массе Солнца, тоже начинаются уже знакомые нам «болезни пожилого возраста». Интенсивность ядерных реакций в слоях, где происходит горение водорода и гелия, периодически изменяется. Поэтому исследователь, который работает с компьютерной моделью, может проследить от силы 100 лет развития такой звезды. Провести вычисления для промежутков в несколько миллионов лет становится практически невозможно. В то же время заметные изменения в структуре звезд могут произойти лишь за миллионы лет.

Таким образом, наши возможности моделирования исчерпаны. Остается надеяться, что мы можем наблюдать в природе звезды, которые прошли эти фазы развития, и наблюдения подскажут нам, что происходит с такими звездами дальше. Здесь может помочь диаграмма Г-Р шарового скопления МЗ, приведенная на рис. 2.9. Вспомним, что на ней наблюдаются звезды, которые следуют по пути от главной последовательности в область красных гигантов. Мы уже знаем, что в недрах этих звезд еще не началось ядерное горение гелия. Расчеты показали, что, когда начинается горение гелия, звезда находится в правой верхней части диаграммы. Отсюда можно сделать вывод, что в недрах звезд, которые образуют на диаграмме Г-Р горизонтальную ветвь, уже началось превращение гелия в углерод. К сожалению, компьютерные модели, которые описывают структуру звезд после гелиевой вспышки, ничего не говорят о перемещении таких звезд влево, вдоль горизонтальной ветви на диаграмме Г-Р. В рамках нашей модели такие звезды остаются справа, в области красных гигантов. Как же попадают звезды в реальных условиях на горизонтальную ветвь?

Первые шаги к решению этой задачи сделал Джон Фолкнер, ученик Хойла, который сейчас работает в г. Санта-Крус (Калифорния). Можно теперь проделать небольшой эксперимент с компьютерной моделью звезды, похожей на Солнце, в недрах которой происходит горение гелия. Мы искусственно удалим с ее поверхности некоторое количество вещества, а затем заставим нашу вычислительную машину построить модель для такой «облегченной» звезды. Оказывается, что такие звезды лежат не в правой верхней части диаграммы Г-Р, а на горизонтальной ветви. При этом даже не нужно удалять всю оболочку из вещества, богатого водородом, которое окружает гелиевое ядро: достаточно лишь частично «облегчить» звезду. Какая доля истины содержится в такой модели? Быть может, звезды, подобные Солнцу, в то время когда они находятся в области красных гигантов, теряют часть вещества со своей поверхности? А затем эти частично облегченные звезды оказываются на горизонтальной ветви диаграммы Г-Р там, где наблюдаются звезды шарового скопления, в недрах которых уже идет ядерное горение гелия? Посмотрим на рис. 7.2. По всей видимости, на стадии красного гиганта Солнце потеряет так много массы, что заметная часть его газовой оболочки улетит в пространство. Затем оно долгое время будет находиться на горизонтальной ветви диаграммы Г — Р. Рано или поздно почти вся оставшаяся масса Солнца сосредоточится в его тяжелом ядре, похожем на белый карлик. И наконец, быть может, после еще одной фазы развития Солнце полностью сбросит свою газовую оболочку и само превратится в белый карлик.

Рис. 7.2. Диаграмма Г-Р, на которой схематически показан путь развития звезд, подобных нашему Солнцу. Вначале эти звезды долго находятся на главной последовательности. Затем они превращаются в красные гиганты (как показано на рис. 5.4). Там в их недрах начинается горение гелия (гелиевая вспышка). В состоянии красного гиганта звезда выбрасывает со своей поверхности так много вещества, что она постепенно начинает перемещаться по диаграмме вдоль горизонтальной ветви. Затем звезда, по всей видимости, превращается в белый карлик. Для сравнения на диаграмме показаны звезды из шарового звездного скопления МЗ, диаграмма Г-Р которого приведена на рис. 2.9.

Таким образом, компьютерная модель для звезд на поздней стадии развития подсказала нам, что эти звезды могут терять часть своего вещества. Зная это, мы можем поискать на небе подтверждение этой гипотезы. Оказывается, существует множество фактов, подтверждающих наше предположение, причем не только для звезд на поздних стадиях развития, но и для обычных звезд главной последовательности, похожих на наше сегодняшнее Солнце.

Петр Апиан, Людвиг Бирман и кометы

Первый из названных ученых в XVI в. преподавал астрономию в Ингольштадте, его настоящее имя было Петер Биневиц, он родился в Саксонии. Второй был моим предшественником в Совете общества имени Макса Планка. История, о которой пойдет речь, связана с одним интересным свойством комет, которое позволило ответить на вопрос о потере звездами части своей массы.

Кометы представляют собой тела, масса которых в миллионы раз меньше массы Земли. Они перемещаются вокруг Солнца по орбитам, имеющим форму очень вытянутых эллипсов. Наиболее известна среди них так называемая комета Галлея, которая совершает один оборот вокруг Солнца за 75 лет. Ближайшее ее появление ожидается в 1986 г.[15] Когда кометы приближаются к Солнцу, температура их поверхности растет и с нее испаряются газы, которые, по всей вероятности, сконденсированы в кометном веществе в виде льда или снега. При этом освобождаются и пылевые частицы, которые перемешаны со снегом. Газ и пылевые частицы не разлетаются равномерно во все стороны от ядра кометы. Они образуют своего рода хвост, который и придает кометам их характерный вид. Строго говоря, возникают два хвоста, которые исходят от головы кометы: пылевой хвост, вдоль которого летят частицы пыли, и газовый хвост.[16] Пылевые частицы летят под действием давления солнечного света по направлению от Солнца. Их траектории представляют собой прямые, иногда слегка искривленные линии. Однако пылевой хвост кометы не столь важен. Интересную загадку задают нам молекулы газа. Они летят с большой скоростью от головы кометы, образуя прямолинейный хвост. Иногда скорость их достигает ста километров в секунду.

Появление комет (которые нельзя спутать с быстро пролетающими по небу метеорами) с давних времен тревожило пытливые умы (рис. 7.3). В средние века люди считали кометы предвестницами всевозможных несчастий: войн, голода, эпидемий. Но и тогда ученые задумывались над природой этого явления. Уже в первой половине XVI в. профессор математики Петр Апиан обнаружил, что светящийся газовый хвост кометы всегда направлен от Солнца. Во время перемещения кометы по орбите из ее ядра выделяются газы, образующие хвост. Хотя комета все время движется, направление газового хвоста остается неизменным: он всегда направлен от Солнца (рис. 7.4). Когда комета удаляется от Солнца, ее газовый хвост расположен впереди летящего ядра. Направленный от Солнца газовый хвост кометы и высокие скорости, с которыми вылетают молекулы газа из головы кометы, привели исследователей в XIX в. к мысли о том, что должна существовать некая сила, которая отталкивает газовые молекулы в направлении от Солнца, против действия силы тяжести.

Рис. 7.3. Комета Мркоса, появившаяся в 1957 г. На снимке хорошо виден прямой газовый хвост, направленный от Солнца, и размытый, слегка закрученный влево диффузный пылевой хвост.

Рис. 7.4. Когда комета перемещается по своей орбите, ее газовый хвост всегда направлен от Солнца.

Одной из таких сил является давление, которое оказывает солнечный свет на частицы кометных хвостов. В 1943 г. астроном Карл Вурм (1899–1975), работавший тогда в Гамбурге, показал, что давление солнечного света слишком мало, чтобы объяснить высокие скорости молекул в газовых хвостах комет.

Однако наблюдения подтверждали, что скорости молекул газа очень велики, и этот факт по-прежнему ждал своего объяснения. Поскольку молекулы газа всегда летят по направлению от Солнца, причину их движения следовало искать на Солнце. Это навело в 1950 г. Людвига Бирмана на мысль, что, по всей вероятности, Солнце постоянно испускает поток частиц, который пронизывает нашу Солнечную систему. Такие частицы уносят с собой молекулы газа, испаряющиеся с поверхности комет. В те годы уже было известно, что во время периодических хромосферных вспышек Солнце выбрасывает в окружающее пространство газовые облака. Эти частицы газа вызывают, например, северные сияния. Однако Бирман предположил, что помимо вспышек существует постоянный поток заряженных частиц, летящих от Солнца, так называемый солнечный ветер. Эти электрически заряженные частицы в основном протоны, ядра водорода — должны воздействовать на заряженные частицы газов, испаряющихся с поверхности комет, и увлекать их за собой. В то же время незаряженные молекулы должны оставаться возле головы кометы. Впоследствии параметры солнечного ветра, существование которого было предсказано Бирманом при объяснении направления кометных хвостов, были изучены с помощью спутников Земли и межпланетных станций. Эти приборы определили силу и направление солнечного ветра. Таким образом был получен ответ на вопрос, который поставил еще Апиан: почему газовые хвосты комет всегда направлены от Солнца.

Итак, Солнце постоянно теряет часть своего вещества. Но мы в наших компьютерных расчетах предполагали, что масса Солнца постоянна. Как это согласуется с существованием солнечного ветра? Быть может, здесь лежит объяснение нейтринного парадокса?

Сейчас известно, что за один год Солнце теряет вместе с солнечным ветром около 10 триллионов (т. е. 10000 миллиардов) тонн вещества. Но как бы ни было велико это число, за миллиарды лет своего существования Солнце потеряло с солнечным ветром пренебрежимо малую часть своей массы. Пока Солнце находится на главной последовательности, его масса остается практически неизменной, хотя с поверхности Солнца постоянно вылетают заряженные частицы газа, а под их воздействием кометные хвосты реют, как знамена на ветру.

Звезды на поздних стадиях развития теряют массу

Идея, о том, что звезды в процессе развития могут выбрасывать в пространство заметную долю своей массы, впервые возникла после второй мировой войны. Советский астроном В. Г. Фесенков (1889–1972) предположил тогда, что звезды главной последовательности постепенно теряют массу и при этом перемещаются вниз вдоль главной последовательности. Сегодня мы знаем, какую важную роль играет в жизни звезд потеря массы, причем на разных стадиях развития, а не только когда они находятся на главной последовательности. Мы увидим, что потеря массы на поздних стадиях развития по сути дела определяет дальнейшую судьбу звезды. Многие красные гиганты выбрасывают со своей поверхности интенсивные потоки газа в окружающее пространство. Мы пока не понимаем причины этого явления. Теория солнечного ветра еще отсутствует. Однако можно определить скорость вылетающих молекул газа и оценить, какое количество массы теряет звезда в единицу времени. Некоторые звезды теряют массу в десятки миллионов раз быстрее, чем Солнце. Эти потери столь велики, что уже за 100 миллионов лет такая звезда может выбросить в пространство заметную долю своего вещества. Быстрая потеря массы наблюдается не только у красных гигантов: мощные потоки газа в окружающее пространство испускают и горячие, массивные звезды, которые совсем недавно покинули главную последовательность. У таких звезд особенно велики скорости газовых частиц солнечного ветра. Очень часто они достигают двух-трех тысяч километров в секунду. Большая скорость потери массы у звезд на поздних стадиях развития не означает, что мы должны пересмотреть наши представления о путях развития звезд. Для тяжелых звезд, находящихся на поздних стадиях развития, сотни миллионов лет по-прежнему остаются большим промежутком времени, который существенно превышает фазу зажигания и выгорания гелия в центральной области. Только для звезд, подобных Солнцу, потери массы на стадии красных гигантов играют заметную роль. Однако именно это обстоятельство позволяет нам объяснить появление звезд на горизонтальной ветви диаграммы Г-Р шарового скопления.

Прежде чем двигаться дальше, я приведу пример того, как звезды на поздних стадиях своего развития могут терять массу. Речь пойдет о звезде под названием Мира. Ее можно найти в созвездии Кита. В 1596 г. священник из Восточной Фрисландии Давид Фабриций обнаружил, что иногда эту звезду можно видеть невооруженным глазом, а затем долгое время она не видна. Сегодня мы знаем, что Мира изменяет свою яркость с периодом в 11 месяцев. Ее минимальная яркость в 600 раз меньше максимальной. Мира является красным гигантом; иными словами, эта звезда находится на поздней стадии развития. Многие красные гиганты аналогичным образом изменяют свою яркость. Причины этого явления пока не вполне ясны. Можно, однако, с уверенностью сказать, что причины изменения яркости этих звезд не такие, как в цефеидах (о которых мы уже говорили). Но здесь нас интересует не переменная яркость этого красного гиганта. Речь пойдет о спутнике Миры. Когда яркость Миры минимальна, можно наблюдать ее спутник, свет которого буквально тонет в излучении красного гиганта при максимальной яркости. Этот спутник представляет собой белый карлик. Мы помним, что вокруг Сириуса тоже обращается белый карлик. В случае Миры период обращения белого карлика вокруг красного гиганта составляет 261 год.

Южноафриканский астроном Брайен Уорнер обнаружил, что яркость белого карлика тоже изменяется. Ученые знали, что плотность вещества в белых карликах очень велика, однако ничего не было известно о том, что они тоже могут быть переменными звездами. Что служит причиной изменения яркости спутника Миры? Уорнер предположил, что Мира, как и большинство красных гигантов, выбрасывает вещество в окружающее пространство. Тогда спутник Миры подвергается воздействию этого звездного ветра. Огромная сила тяжести белого карлика притягивает часть вылетающего газа на свою поверхность. Эти частицы газа налетают на поверхность спутника с большой скоростью, поскольку на них действует гигантская гравитационная сила. При столкновении частиц газа с поверхностью выделяется тепло, и свечение этого разогретого газа существенно увеличивает яркость белого карлика. Нерегулярность таких потоков газа служит причиной хаотического изменения яркости спутника Миры. Брайен Уорнер смог объяснить изменение светимости белого карлика и величину флуктуации яркости уже при небольших значениях потери массы для красного гиганта Миры. Это означает, что потеря массы пренебрежимо слабо влияет на развитие такой звезды, как Мира.

Следовательно, мы можем объяснить, каким образом наблюдаемые потери массы приводят к перемещению звезд, подобных Солнцу, на горизонтальную ветвь диаграммы Г Р. Но такое уменьшение массы не позволяет объяснить, как тяжелые звезды могут потерять столько вещества, что из их недр «освобождается» находящийся там белый карлик. На этот вопрос мы сейчас ответим. К счастью, на небосводе можно наблюдать явления, в ходе которых звезды могут за короткие промежутки времени потерять большую долю своего вещества.

Освобождение белого карлика

Уже с помощью небольшого телескопа, если точно знать, куда его направить, можно разглядеть в созвездии Лиры небольшое светящееся кольцо туманность Лиры. В настоящее время известно около семисот таких образований. Поскольку такие туманности выглядят в телескоп как светящийся кружок, напоминающий своим видом планету, то их называют планетарными туманностями (рис. 7.5). Однако они не имеют ничего общего с планетами нашей Солнечной системы. До таких туманностей так же далеко, как до звезд. Они являются светящимися газовыми образованиями, причем в центре каждого из них наблюдается звезда с высокой температурой. Эти туманности представляют собой газовые массы, которые образуют своего рода пустотелый шар, внутри которого вблизи центра расположена горячая звезда. Газ светится под воздействием излучения этой звезды. Такая газовая оболочка очень разрежена. Скорости перемещения частиц в этой оболочке составляют около 50 километров в секунду. Очевидно, что эта газовая оболочка была сброшена с поверхности центральной звезды. Масса светящегося вещества планетарных туманностей составляет примерно 10 20 % массы Солнца. Таким образом, масса газа в таких туманностях не слишком мала по сравнению со звездными массами.

Рис. 7.5. Планетарная туманность NGC 7293. Ярко светящееся кольцо вещества выброшено с поверхности небольшой звезды в центре кольца. Эта звезда близка по своим свойствам к белым карликам. Другие звезды, которые видны на снимке, расположены в пространстве перед кольцевой туманностью или за ней и не имеют к ней никакого отношения. (Авторские права на снимок принадлежат Калифорнийскому технологическому институту и Вашингтонскому институту Карнеги. Воспроизводится с разрешения Хейлской обсерватории.)

Мы не знаем, почему происходит выброс вещества с поверхности звезд и какой механизм отвечает за такую потерю массы. Очевидно только, что это может происходить. Больше мы ничего не можем сказать на основе данных наших наблюдений. Если более внимательно приглядеться к центральной звезде, то можно обнаружить, что ее свойства напоминают свойства белых карликов: температура поверхности очень высока, а сама звезда невелика по размерам. Можно предположить, что мы видим, как красный гигант сбросил свою газовую оболочку, а белый карлик, находящийся в его центре, оказался обнаженным. Не исключено, что звезда уже долгое время теряет свое вещество, однако лишь после того как обнажилась горячая поверхность белого карлика, газовые массы вблизи этой звезды начали светиться под воздействием его излучения. Таким образом, в планетарных туманностях, по всей видимости, можно наблюдать рождение белого карлика.

Мы видим, что звезды могут относительно спокойно освобождаться от внешних слоев своего вещества, богатого водородом. Однако бывают случаи, когда звезды сбрасывают внешние оболочки в результате большого взрыва.

Звезда Гартвига в Туманности Андромеды

Иногда можно указать время астрономического открытия с точностью до дней и часов. Обычно это бывает тогда, когда открытие происходит в результате единственного астрономического наблюдения. Это — настоящие «звездные часы» в исследованиях звезд. Один из таких моментов наступил ночью 31 августа 1885 г. В эту ночь родившийся во Франкфурте тридцатичетырехлетний астроном Эрнст Гартвиг,[17] направил свой телескоп в обсерватории в Дерпте на Туманность Андромеды. Это одна из многих спиральных туманностей (см. рис. 0.1). О том, что она представляет собой в действительности, Гартвиг знал не больше своих современников. Истинная природа спиральных туманностей была открыта на 35 лет позже. Когда Гартвиг навел свой телескоп на Туманность Андромеды, он увидел в ней яркую звезду. Звезда светила столь сильно, что ее уже почти можно было увидеть невооруженным глазом. Она находилась возле наиболее яркого участка Туманности Андромеды — вблизи ее ядра. В этом месте никто раньше не видел такой звезды.

Звезды иногда гаснут, а затем их светимость вновь увеличивается. Это было известно и во времена Гартвига. Позже мы еще обсудим подобные явления. Поразительно здесь не это, а то, что яркая звезда появилась в Туманности Андромеды. Открытие Гартвига стало сенсацией только в 1920 г., когда стало ясно, что спиральные туманности, или галактики, как их теперь называют, представляют собой скопления сотен миллиардов звезд. Эти скопления так далеко отстоят от нас в пространстве, что в большинстве телескопов они видны как слабые светящиеся пятна. Только самые большие телескопы позволяют разглядеть отдельные звезды в галактике Андромеды. Мы уже говорили об этом во введении к данной книге. Галактика в созвездии Андромеды удалена так далеко, что свет от нее идет к нам целых два миллиона лет. Таким образом, событие, которое Гартвиг наблюдал 31 августа 1885 г., произошло за два миллиона лет до этого дня. И если звезда, несмотря на огромное удаление, светит так ярко, что ее почти можно увидеть невооруженным глазом, это значит, что ее светимость в 10 миллиардов раз больше, чем у нашего Солнца. Таким образом, Гартвиг наблюдал беспрецедентно сильное увеличение яркости звезды, хотя подобные, но более слабые вспышки так называемых новых звезд наблюдали и раньше. Явление, которое Гартвиг обнаружил в Туманности Андромеды, сегодня называют вспышкой сверхновой.

Спустя некоторое время после своего открытия Гартвиг покинул Дерпт и занялся другими делами. Незадолго до этого в Бамберге умер богатый горожанин, которого звали Карл Ремайз. Он завещал городу 400 тысяч марок золотом. На эти деньги следовало, по завещанию, построить и содержать астрономическую обсерваторию. Гартвиг взял на себя эту задачу и затем руководил обсерваторией в Бамберге вплоть до 20-х годов нашего века.[18]

Я надеюсь, читатель простит мне еще одно историческое отступление. В 1954 г. руководителем Бамбергской обсерватории стал Вольфганг Штромайер. Я был его ассистентом. Мы занялись тогда разборкой старой корреспонденции института. Нам в руки попали два письма, полученные Гартвигом. Оба написаны во время первой мировой войны. Одно из них от молодого солдата, который и раньше переписывался с Гартвигом. Это было отчаянное письмо, написанное молодым человеком в лазарете, куда он попал после ранения. Молодой солдат в результате ранения наполовину ослеп и боялся полностью потерять зрение, а до войны его единственной мечтой было стать астрономом. Это письмо написал Ханс Кинле (1895–1975), который впоследствии руководил гёттингенской лабораторией. Многие его ученики стали известными астрономами: среди них были Людвиг Бирман, Отто Хекман, Мартин Шварцшильд и Хайнрих Зидентопф.

Второе письмо было от молодого человека из города Зоннеберг в Тюрингии, который тоже хотел стать астрономом, но отец забрал его против воли из школы. Он вынужден был изучать торговое дело, чтобы унаследовать отцовскую фабрику. Но во время войны предприятие было реквизировано, молодой человек почувствовал себя свободным и просил Гартвига взять его на службу. Он был даже готов некоторое время работать бесплатно, лишь бы ему была предоставлена возможность заниматься астрономией в Бамбергской обсерватории. Гартвиг принял его на работу и оказал поддержку. Позже этот любитель астрономии наверстал упущенное и закончил школу и университет. Это был Гуно Хоффмейстер (1892–1968), который впоследствии основал обсерваторию в Зоннеберге. Это его наблюдение кометы в 1942 г. позволило Бирману открыть солнечный ветер. Среди многих тысяч открытых им звезд две стали настоящей сенсацией. Одна из них-BL Ящерицы — была первой звездой среди целого класса до той поры совершенно неизвестных объектов, которые находятся в пространстве между галактиками, на огромном расстоянии от них. Другая звезда (мы еще вернемся к ней позже) стала одним из излюбленных объектов изучения рентгеновской астрономии. Но когда Гуно Хоффмейстер писал свое письмо Гартвигу, он, конечно же, еще не подозревал о своем будущем.

Вернемся к сверхновой, открытой Гартвигом. Если сверхновая вспыхнула в галактике Андромеды, то, вероятно, такое же событие может произойти и в нашей Галактике. Встречались ли сверхновые среди звезд нашего Млечного Пути? Можно ли найти упоминания об этих событиях в исторических хрониках? Появление сверхновой достаточно трудно отличить от возникновения так называемых новых звезд, о которых еще пойдет речь: если новая звезда вспыхнет очень близко от нас, то она будет светить на небе существенно ярче, чем далекая сверхновая. Теперь мы знаем, что в новое время в нашем Млечном Пути наблюдалось по меньшей мере две Сверхновые. Первую из них обнаружил в 1572 г. знаменитый астроном Тихо Браге в созвездии Кассиопеи. Иоганн Кеплер в 1604 г. описал появление очень яркой звезды в созвездии Змееносца, которая вновь погасла спустя некоторое время.[19] Обе эти звезды были Сверхновыми, сравнимыми по яркости со звездой, обнаруженной Гартвигом в Туманности Андромеды. Сегодня мы знаем, что во время вспышки сверхновой звезда буквально взрывается и выбрасывает в пространство большое количество вещества. Мы нашли в пределах нашего Млечного Пути множество звезд, окруженных газовыми массами, которые разлетаются от центра с высокими скоростями. Можно предположить, что эти звезды в далекие времена взорвались как сверхновые, а теперь мы видим вокруг них остатки газовых облаков, выброшенных во время взрыва. Наиболее известная среди таких звезд находится в созвездии Быка.

Крабовидная туманность и Сверхновая из китайских и японских хроник

В созвездии Тельца наблюдается небольшая туманность, которая в отличие от Туманности Андромеды действительно состоит из диффузного газового вещества, а не из отдельных звезд. Ее называют Крабовидной туманностью (рис. 7.6). Газовые массы, образующие эту туманность, разлетаются друг от друга с большой скоростью. Некоторые из них перемещаются по отношению к другим со скоростью в несколько тысяч километров в секунду. Зная скорость разлета газовой оболочки и ее размеры, можно вычислить, когда произошел взрыв Сверхновой. Оказывается, что это событие должно было произойти около 1000 года нашей эры. Можно ли найти упоминание о яркой звезде в созвездии Тельца около 1000 года? Действительно, в китайских и японских хрониках упоминается яркая звезда, которая в 1054 году вспыхнула на небе в том месте, где теперь находится Крабовидная туманность. Эта звезда была столь яркой, что целых две недели ее можно было видеть на небе и днем. Это была настоящая сверхновая звезда. К сожалению, в европейских исторических источниках это событие не упоминается. Каждый раз, когда ко мне в руки попадает книга по истории, я смотрю, что происходило в 1054 году. Я узнал уже очень много интересного о событиях этого года. Так, например, в этом году умерли люди, о которых я до сих пор совершенно ничего не слышал. Однако нигде нет никаких упоминаний о необычайном небесном явлении. Трудно понять, почему столь впечатляющее появление новой звезды не описано ни в одной из хроник. Может быть, тогда в Европе мало интересовались изменениями на звездном небе, а может быть, просто все две недели стояла плохая погода.[20]

Рис. 7.6. Крабовидная туманность является остатком Сверхновой, наблюдавшейся в 1054 году. Однако свет идет к Земле от Крабовидной туманности очень долго. Поэтому на самом деле взрыв Сверхновой произошел около 4 тысяч лет до н. э., когда еще не возникло государство шумеров в Двуречье. (Авторские права на снимок принадлежат Калифорнийскому технологическому институту и Вашингтонскому институту Карнеги. Воспроизводится с разрешения Хейлской обсерватории.)

При появлении сверхновой, по всей видимости, происходит взрыв всей звезды, и ее вещество или по крайней мере большая его часть разлетается в пространстве. Исчезает ли звезда полностью после взрыва или же от нее что-нибудь остается? Ответ на этот вопрос был получен в 1968 году. Об этом пойдет речь в следующей главе. А пока мы обсудим, что происходит с веществом, выброшенным со звезд в пространство.

Судьба вещества, оказавшегося в межзвездном пространстве

Межзвездное пространство нашей Галактики нельзя считать абсолютно пустым: в нем существуют скопления газа и пыли. В гл. 12 мы увидим, что из межзвездного газа могут образовываться новые звезды. Частично межзвездный газ остался еще со времен формирования нашей Галактики. Впоследствии из этого газа образовались все звезды, которые, как мы видели, «возвращают» часть своего вещества в межзвездное пространство. Таким образом, межзвездное вещество смешано с газами, которые звезды потеряли за время своей жизни. Зародыши пылевых частиц образуются путем конденсации под действием звездного ветра. Так, например, от звезды R Северной Короны разлетаются облака черной пыли, которые ослабляют ее свет. В межзвездном пространстве на зародышах пылевых частиц постепенно осаждаются атомы газов и образуют твердую оболочку частицы. Так происходит рост зародышей пылевых частиц. Эти частицы растут до тех пор, пока не разрушатся. Разрушение частиц может произойти из-за взаимного соударения, столкновения с высокоэнергетичными частицами космических лучей, или за счет испарения, если они окажутся поблизости от горячей звезды. Межзвездное вещество постоянно пополняется газами, «улетевшими» с поверхности звезд. Поэтому химический состав межзвездного вещества постепенно изменяется. Это вещество обогащается тяжелыми элементами, образовавшимися в недрах звезд. Таким образом, звезды существенным образом определяют свойства межзвездного вещества, из которого в свою очередь образуются новые звезды.

При взрывах сверхновых такое обогащение межзвездной материи происходит особенно быстро, поскольку, как мы увидим в гл. 11, во время таких взрывов в межзвездное пространство выбрасывается много тяжелых элементов. Скорости разлета части вещества при взрыве сверхновой настолько велики, что оно быстро заполняет весь объем нашей Галактики. Это частицы вездесущего космического излучения, которое мы наблюдаем и у поверхности Земли.

То, что после взрыва сверхновой остаются и другие объекты, кроме расширяющегося светящегося облака и космического излучения, впервые стало известно в 1968 году.

Глава 8

Пульсары, которые не пульсируют

Сообщение, опубликованное в феврале 1968 года в английском журнале «Nature», было столь удивительным, что его тут же подхватила вся мировая пресса. Группа ученых в Кембридже, руководимая Энтони Хьюишем, извещала о том, что ей удалось принять радиосигналы из глубин Вселенной.

Новый радиотелескоп в Кембридже

После второй мировой войны начался расцвет радиоастрономии. Космический газ — межзвездное вещество — обладает способностью испускать и поглощать излучение в области радиочастот. Подобно свету, это излучение проходит сквозь земную атмосферу и может служить дополнительным источником информации о Вселенной. Исследуя космическое радиоизлучение, можно получать сведения о свойствах межзвездного вещества в нашей Галактике; удается также принимать и анализировать радиоизлучение межзвездного газа в других звездных системах. Галактики, дающие особенно интенсивное радиоизлучение, получили название радиогалактик.

Приходящее к нам радиоизлучение испытывает влияние вещества, выбрасываемого Солнцем и движущегося в межпланетном пространстве к границам Солнечной системы (т. е. влияние солнечного ветра, о котором шла речь в предыдущей главе). Наблюдаемые из-за этого временные флуктуации радиоизлучения во многом подобны мерцанию света звезд, обусловленному движениями воздушных масс в атмосфере.

Именно для исследования подобных флуктуации, обусловленных межпланетным веществом, и был предназначен радиотелескоп, строительство которого было начато в Кембридже в 60-е годы. На площади в два гектара (где уместилось бы 57 теннисных кортов) было установлено более 2000 отдельных антенных элементов. Поскольку с помощью этого антенного поля предполагалось исследовать флуктуации излучения радиоисточников, вызванные солнечным ветром, приемное устройство было рассчитано на регистрацию быстрых изменений приходящего радиоизлучения. Прежние радиотелескопы не давали такой возможности, и поэтому кембриджский радиотелескоп как будто специально был приспособлен для открытия быстропеременных сигналов от пульсаров — открытия, которое отодвинуло на второй план ту задачу, ради которой радиотелескоп был построен: исследование флуктуации радиоизлучения, обусловленных солнечным ветром.

Поскольку поворачивать гигантскую антенную систему невозможно, подобный радиотелескоп принимает радиоизлучение из узкой полосы небесной сферы, которая проходит над антенной радиотелескопа, пока Земля совершает свое суточное вращение. В июле 1967 г. строительство было закончено и начались наблюдения. Круглые сутки регистрировалась интенсивность приходящего радиоизлучения с длиной волны 3,7 метра. За неделю на 210 метрах диаграммной ленты самописец рисовал кривые интенсивности излучения от семи участков неба. Усилия были направлены на поиск стабильных радиоисточников, излучение которых «мерцает», взаимодействуя с солнечным ветром. Наблюдениями на телескопе и трудоемкой обработкой результатов занималась аспирантка Джоселин Белл. Ее интересовали быстрые флуктуации радиоизлучения от космических источников, попадающих в поле зрения телескопа при суточном вращении Земли.

Рассказывает Джоселин Белл

Девять лет спустя Джоселин Белл-Бернелл в своей речи на одном из приемов вспоминала о том времени, когда она под руководством Хьюиша работала в Кембридже над диссертацией. Она рассказывала о выходившей из-под пера самописца нескончаемой ленте, которую ей приходилось просматривать. После первых трех десятков метров она научилась распознавать радиоисточники, мерцающие из-за солнечного ветра, и отличать их от радиопомех земного происхождения. «Через шесть или восемь недель после начала исследований я обратила внимание на какие-то отклонения сигнала, зарегистрированного самописцем. Эти отклонения не очень походили на мерцания радиоисточника; не были они похожи и на земные радиопомехи. Кроме того, мне вспомнилось, что подобные отклонения мне однажды встречались и раньше, когда регистрировалось излучение от этого же участка неба». Дж. Белл хотела вернуться к этой записи, но ее задержали другие дела. Только в конце октября 1967 г. она вновь занялась этим явлением и попыталась записать сигнал с более высоким временным разрешением. Однако источник на этот раз найти не удалось: он вновь дал о себе знать лишь к концу ноября.

«На ленте, выходящей из-под пера самописца, я видела, что сигнал состоит из ряда импульсов. Мое предположение о том, что импульсы следуют один за другим через одинаковые промежутки времени, подтвердилось сразу же, как только лента была вынута из прибора. Импульсы были разделены интервалом в одну и одну треть секунды (рис. 8.1). Я тотчас же связалась с Тони Хьюишем, который читал в Кембридже лекцию для первокурсников. Первой реакцией его было заявить, что импульсы — дело рук человеческих. Это было естественно при данных обстоятельствах. Однако мне почему-то казалось возможным, что сигнал может идти и от какой-нибудь звезды. Все-таки Хьюиш заинтересовался происходящим и на другой день пришел на телескоп как раз в то время, когда источник входил в поле зрения антенны — и сигнал, к счастью, появился снова». Источник со всей очевидностью имел внеземное происхождение, поскольку сигнал появлялся всякий раз, когда телескоп оказывался направлен на этот участок неба. С другой стороны, импульсы выглядели так, как будто их посылают люди. Быть может, это представители внеземной цивилизации? Едва ли, впрочем, сигнал шел от планеты, обращающейся вокруг звезды.[21]

Рис. 8.1. Сигналы первого обнаруженного пульсара на ленте самописца. Хотя форма отдельных импульсов не одинакова, они следуют друг за другом через строго постоянные интервалы времени.

«Незадолго до Рождества я предложила Тони Хьюишу выступить на конференции и на самом высоком научном уровне поставить вопрос о том, каким образом следует истолковать эти результаты. Мы не верили, что сигналы посылает какая-то чужая цивилизация, однако такое предположение однажды высказывалось, и у нас не было доказательств, что мы имеем дело с радиоизлучением естественного происхождения. Если же допустить, что где-то во Вселенной нами были обнаружены живые существа, то возникала любопытная проблема: как следует обнародовать эти результаты, чтобы это было сделано со всей ответственностью? Кому первому сообщить о них? В тот день мы так и не решили эту проблему: я отправилась домой в полной растерянности. Мне нужно было писать свою диссертацию, а тут откуда-то взялись эти окаянные „зеленые человечки“, которые выбрали именно мою антенну и рабочую частоту моего телескопа, чтобы установить связь с землянами. Подкрепившись ужином, я вновь отправилась в лабораторию, чтобы проанализировать еще несколько лент. Незадолго до закрытия лаборатории я просматривала запись, относящуюся к совершенно другому участку неба, и на фоне сигнала от мощного радиоисточника Кассиопея А заметила знакомые возмущения. Лаборатория закрывалась, и мне пришлось уйти, однако я знала, что именно этот участок неба рано утром будет в поле зрения телескопа. Через несколько часов я вернулась в обсерваторию. Из-за холода что-то испортилось в приемном устройстве нашего телескопа. Конечно, так всегда и бывает! Однако я пощелкала выключателями, побранилась, посокрушалась, и минут пять установка работала нормально. И это были те самые пять минут, когда появились возмущения. На этот раз возмущения имели вид импульсов, следующих через 1,2 секунды. Я положила ленты на стол Тони и отправилась праздновать Рождество. Какая удача! Было совершенно невероятно, чтобы „зеленые человечки“ из двух разных цивилизаций выбрали одну и ту же волну и то же время для посылки сигналов на нашу планету».

Вскоре Джоселин Белл обнаружила еще два пульсара, а в конце января 1968 г. было послано сообщение в журнал «Nature». В нем шла речь о первом пульсаре. Джоселин Белл-Бернелл вспоминает: «За несколько дней до опубликования заметки Тони Хьюиш выступил на семинаре в Кембридже с докладом о полученных результатах. Казалось, все кембриджские астрономы пришли на семинар, по их интересу и энтузиазму я впервые поняла, какую революцию мы затеяли. Был здесь и профессор Хойл, и мне вспоминается его заключительный комментарий. Он сказал, что ему впервые приходится слышать о подобных звездах, и он еще не успел как следует обдумать этот вопрос. Однако ему кажется, что это должны быть не белые карлики, а останки сверхновых».

Поскольку в сообщении, опубликованном в журнале «Nature», было упомянуто, что первоначально астрономы Кембриджа не исключали возможности того, что сигналы посланы другой цивилизацией, вскоре там появились представители прессы. «Когда журналисты обнаружили, что здесь замешана женщина, они проявили еще большую активность. Меня фотографировали стоящей на стуле, сидящей на стуле, стоящей на стуле и рассматривающей какие-то диаграммы, сидящей на стуле, уставившись на какие-то диаграммы. Один из журналистов заставил меня бегать с воздетыми руками: глядите, друзья, я сделала настоящее открытие! (Архимед и не знал, чего ему в ту пору удалось избежать!) При этом журналисты расспрашивали меня о страшно важных вещах: например, выше я ростом или ниже, чем принцесса Маргарет».

Пульсары имеют малые размеры

Более всего пульсары поразили астрономов тем, что интенсивность их излучения изменялась чрезвычайно быстро. У наиболее «быстрых» переменных звезд период, с которым изменяется их блеск, может составлять один час или того меньше. Блеск белого карлика в двойной звездной системе Новой 1934 года в созвездии Геркулеса (мы вернемся к этой системе в гл. 9) изменяется с периодом 70 секунд-но пульсары оставили этот рекорд далеко позади. На это указывали и исследования, проведенные в последующие месяцы: с чем более высоким временным разрешением регистрировались импульсы, тем яснее просматривалась их тонкая структура, показывавшая, что интенсивность радиоизлучения изменяется за десятитысячные доли секунды (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Отдельный импульс, полученный с высоким временным разрешением. Сигнал пульсара имеет сложную тонкую структуру.

По скорости изменения интенсивности излучения можно оценить размеры той области пространства, из которой оно исходит. Рассмотрим для простоты полусферу, удаленную от наблюдателя на столь большое расстояние, что и невооруженным глазом, и в телескоп она выглядит просто точкой (рис. 8.3). Пусть на поверхности сферы происходит очень короткая вспышка света. Что же видит удаленный наблюдатель? Излучение распространяется от сферы со скоростью света. Поскольку расстояние от наблюдателя до различных точек сферы неодинаково, излучение, одновременно испущенное всеми точками сферы, приходит к наблюдателю в различные моменты времени: вначале поступает сигнал от центра «видимого диска», который ближе всего к наблюдателю, затем от окружающей его области, и, наконец, от краев. Таким образом, регистрируемый наблюдателем импульс «размазывается» — он имеет большую длительность, чем исходный короткий импульс света. Продолжительность импульса увеличивается на то время, за которое свет проходит расстояние, равное радиусу сферы. Сказанное можно распространить не только на короткие световые импульсы, но и на любые изменения яркости свечения сферы, поскольку сигнал, соответствующий как уменьшению, так и увеличению яркости, доходит до наблюдателя от различных точек сферы за неодинаковое время. «Размазывание» сигнала будет наблюдаться и в том случае, когда форма излучающего объекта отличается от сферической.

Рис. 8.3. Световой импульс (слева вверху), испускаемый сферической поверхностью, для удаленного наблюдателя размазывается во времени (внизу справа), поскольку сигналы от разных точек поверхности приходят не одновременно.

Таким образом, если регистрируемые изменения яркости источника происходят, скажем, за десятитысячные доли секунды, то из этого следует, что размеры источника не могут быть существенно больше того расстояния, которое свет проходит за это время, т. е. 30 километров. Если бы источник имел большие размеры, то изменения яркости «размазывались» бы на более длительное время. В пределах одного импульса интенсивность изменяется в течение одной десятитысячной доли секунды; это видно по крутым фронтам зубцов на кривой на рис. 8.2. Поскольку радиоизлучение распространяется со скоростью света, из этого можно заключить, что объект, от которого исходит импульс, имеет в поперечнике не больше нескольких сотен километров. Подобные размеры чрезвычайно малы по сравнению с теми, с которыми мы привыкли иметь дело во Вселенной. Диаметр белых карликов составляет несколько десятков тысяч километров; диаметр Земли равен примерно 13 000 километров. Таким образом, сигналы пульсаров несут сведения о том, насколько малы те области пространства во Вселенной, из которых исходит это чрезвычайно интенсивное радиоизлучение.

Вскоре из разных мест земного шара стали поступать сообщения о вновь открываемых пульсарах. Сегодня их известно более трехсот. Периоды их лежат в пределах от нескольких сотых до 4,3 секунды. Хотя по форме отдельные импульсы не вполне повторяют друг друга, период пульсара отличается высоким постоянством. Иногда импульсы пропадают, но после возобновления приема следуют в точности в прежнем ритме.

Впоследствии удалось записать отдельные импульсы с более высоким разрешением. При этом выяснилось, что они обладают еще более тонкой структурой, чем показано на рис. 8.2. Рекордная быстрота изменения интенсивности составляет 0,8 х 10-6 секунды. Это означает, что излучение исходит из области, не превышающей 250 метров в поперечнике.

Уже в первый год после открытия пульсаров обнаружилось, что период многих из них постепенно увеличивается: со временем пульсары становятся «медленнее». Однако частота следования импульсов изменяется очень незначительно: чтобы период пульсара удвоился, должно пройти примерно 10 миллионов лет.

Можно ли увидеть пульсары?

Что же представляют собой пульсары? Находятся ли они вблизи Солнечной системы или так же далеки от нас, как другие галактики? Легко видеть, что пульсары располагаются среди звезд нашего Млечного Пути. Мы уже знаем, что светлая полоса Млечного Пути, которую мы видим на небе, это множество звезд, расположенных в плоскости нашей Галактики. Особенно много звезд удается различить, если смотреть по направлению к центру Галактики. Если нанести на карту звездного неба все известные пульсары, то они окажутся распределенными среди звезд нашей Галактики, преимущественно в районе Млечного Пути (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Распределение 300 пульсаров на небе. Вся небесная сфера спроецирована на овальную координатную сетку; Млечный Путь тянется вдоль горизонтальной оси («экватора»); центр Млечного Пути находится в середине координатной сетки. Пульсары, как видно, располагают в основном вблизи Млечного Пути (по А. Лайну)

Таким образом, пульсары распределены в пространстве так же, как и звезды: они равномерно размещаются среди звезд. Это значит, что проходит не одна тысяча лет, пока сигналы от некоторых пульсаров достигнут земных радиотелескопов. Соответственно, излучение пульсаров должно иметь невероятную интенсивность, чтобы его, несмотря на гигантские расстояния, можно было зарегистрировать на Земле. И эта энергия исходит из области, диаметр которой не превышает 250 метров! Как только был открыт первый пульсар и его местонахождение на небесной сфере было точно определено, этот участок неба стали исследовать оптическими телескопами. Звезда, координаты которой попали в область, указанную радиоастрономами, оказалась самой обыкновенной. По всей видимости, она не имела ничего общего с приходящим по этому направлению радиоизлучением. Сам же пульсар оставался невидимым.

Осенью 1968 г. были обнаружены сигналы с периодом всего лишь 0,03 секунды от пульсара в Крабовидной туманности. Сигналы пульсара шли из облака, образованного останками Сверхновой 1054 года, отмеченной в китайских и японских летописях! Нельзя ли отождествить с пульсаром какой-либо из звездоподобных объектов в Крабовидной туманности (см. рис. 7.6 и 8.5)?

Рис. 8.5. Центральная область Крабовидной туманности (ср. с рис. 7.6). Изображенный здесь участок легко соотнести с областью в центре фотографии на рис. 7.6. (Снимок получен в первичном фокусе рефлектора Шейна Ликской обсерватории Дж. Скарглем.)

Как же определить, является ли видимая звезда источником пульсирующего радиоизлучения или нет? Быть может, оптическое излучение от звезды тоже пульсирует? Однако человеческий глаз не способен заметить пульсации света от столь слабого источника. Не особенно выручают и фотографические методы: в том месте, где на фотопластинку попадает свет звезды, она засвечивается вне зависимости от того, пульсирует попадающий на нее свет или нет.

Поэтому, чтобы выявить пульсации видимого излучения звезды, приходится применять специальные методы. С телескопом соединяют телевизионную камеру, и оптическое изображение передается на два телеэкрана (рис. 8.6). Период импульсов радиоизлучения нам уже известен; в течение одной половины периода изображение поступает на экран А, а в течение другой половины-на экран В. Если видимое излучение объекта пульсирует в том же ритме, что и радиоизлучение, то может в принципе получиться так, что импульс будет всегда наблюдаться на экране А, а на экран В изображение поступает в те промежутки, когда импульса нет. Те источники, свет которых пульсирует с иной периодичностью, будут иметь на обоих экранах одинаковую яркость. Остается, таким образом, только сравнить изображения на двух экранах, чтобы выяснить, не изменяется ли видимая яркость какой-либо звезды с тем же периодом, что и радиоизлучение.

Рис. 8.6. Так определяют, светит ли звезда постоянно или испускает отдельные импульсы. Вверху: прямое изображение группы звезд. Ниже показан график световых импульсов одной из звезд. С помощью телевизионной камеры изображение поочередно подается на два экрана А и В; во время импульса изображение всегда попадает на экран А; пауза приходится всегда на экран В. Сравнивая изображения на двух экранах, можно определить звезду, свет которой пульсирует. (Для иллюстрации принципа взято изображение ковша Большой Медведицы; в действительности показанная здесь звезда не является пульсаром; она совершенно безобидна и светит равномерно.)

Пульсар в Крабовидной туманности — видимая звезда

Это удалось обнаружить описанным выше методом. Используемая аппаратура в целом работала по аналогичному принципу, только исследовался не весь участок неба сразу, а каждая звезда по отдельности. Вместо того чтобы наблюдать звезду на нескольких телеэкранах, ее свет направляли поочередно на счетчики фотонов в соответствии с периодом пульсара Крабовидной туманности. Схема подобного измерения иллюстрируется на рис. 8.7. Если свет звезды не пульсирует, то все счетчики отмечают примерно одинаковое число световых квантов. Если же от звезды идут вспышки с той же периодичностью, что и у сигналов пульсара, то будут срабатывать те счетчики, которые задействованы в момент прихода светового импульса; остальные же датчики ничего не регистрируют. Таким образом, за достаточно долгое время показания счетчиков, на которые приходится «активная» доля периода, будут большими, а показания остальных счетчиков, в которые попадает лишь фоновый свет от темного ночного неба, остаются почти на нуле. Как говорят, подобная система счетчиков «накапливает» импульс.

Рис. 8.7. Аналогичная схема, показывающая метод определения того, посылает ли звезда свет в виде импульсов. Свет с известной периодичностью (определенной по периоду радиоимпульсов) пробегает ряд счетчиков световых квантов. Здесь показано четыре счетчика, изображенных в виде ящиков, в которых «накапливаются» световые кванты (красные точки). Период делится на четыре интервала; кванты, поступившие за первый интервал, попадают в «ящик» 1, за второй в «ящик» 2 и т. д. В нашем случае больше всего квантов насчитал счетчик 3, остальные счетчики почти пусты.

В ноябре 1968 г. два молодых астронома, Уильям Джон Кок и Майкл Дисней, решили провести три ночных дежурства на 90-сантиметровом телескопе обсерватории Стюарда в Тусоне (шт. Аризона). Ни тот ни другой не имели еще опыта астрономических наблюдений, и они хотели воспользоваться ночными дежурствами, чтобы познакомиться с работой на телескопе. Они еще размышляли о том, что именно будут наблюдать, когда в начале декабря в журнале «Science» появилось сообщение об открытии пульсара в Крабовидной туманности. Это натолкнуло молодых астрономов на мысль попытаться обнаружить видимое излучение пульсара, тем более, что необходимая для этого электронная аппаратура уже имелась в институте. Дональд Тейлор построил эту аппаратуру для совершенно других целей и воспользовался ею как «приданым», чтобы быть включенным в группу наблюдателей. Итак, в отношении техники все было в порядке. И хотя никаких гарантий успеха не было никому ведь еще не удавалось отождествить пульсар с видимой звездой, — Кок и Дисней имели возможность познакомиться с работой на телескопе, а Тейлор — испытать свои приборы.

К началу января измерительная аппаратура была смонтирована на горе Китт-Пик,[22] и 11 января телескоп был впервые направлен на Крабовидную туманность. Для каждой звезды измерения проводились в течение 5000 периодов пульсара, причем за каждый период световой сигнал распределялся последовательно между несколькими счетчиками. Но ни одна звезда в исследованной области не давала накопления импульса на счетчиках, и 12 января Тейлор вернулся в Тусон. Помогать Коку и Диснею остался Роберт Мак-Каллистер, обслуживающий электронную аппаратуру. 12 января погода начала портиться, а результатов все не было. Еще две ночи, отведенные на это исследование, пропали из-за плохой погоды, и все предприятие, казалось, было обречено на неудачу.

Как часто все решает случай! Уильям Тиффт — наблюдатель, чье дежурство начиналось с 15 января, уступил незадачливым новичкам ночи 15 и 16 января, чтобы они смогли вновь попытать счастья. Здесь я прервусь и предоставлю слово самому Диснею.

«Пятнадцатого днем было облачно, но к вечеру небо прояснилось. Мы начали ровно в 20 часов. Тейлор был еще в Тусоне; Кок и я сменяли друг друга у телескопа, а Мак-Каллистер работал с аппаратурой Тейлора. Для начала мы сделали замер от темного неба, в стороне от звезд. Для следующего измерения мы выбрали звезду, которую Вальтер Бааде обозначил как центральную звезду Крабовидной туманности. Всего тридцать секунд потребовалось для того, чтобы прибор показал нарастающее накопление импульса на счетчиках. Заметен был и слабый вторичный импульс, отстоящий от главного примерно на половину периода; он был значительно шире и не такой высокий. В то время как Мак-Каллистер продолжал спокойно обслуживать аппаратуру, мы с Коком поминутно переходили от истерического возбуждения к глубочайшей депрессии. Действительно ли это пульсар или просто какие-то ложные аппаратурные эффекты? Ведь частота пульсара была в точности равна половине промышленной частоты переменного тока в США. Но при повторном измерении импульс вновь появился во всей своей красе, и настроение под куполом обсерватории поднялось.

В 20.30, через полчаса после начала наблюдений, позвонил Тейлору. Он отнесся к моему сообщению скептически и предложил изменить кое-что в аппаратуре, чтобы устранить возможные ошибки. Лишь на следующую ночь, наблюдая своими глазами за накоплением импульса, он перестал сомневаться.

В 22.10 мы позвонили своим женам, и нам с трудом удалось уговорить их не приезжать тотчас же к нам на гору. В 1.22 появились облака. Наблюдения были окончены. У трех наблюдателей в обсерватории не было ни малейшего сомнения в том, что им посчастливилось открыть первый оптический пульсар». На этом кончается рассказ Диснея.

Теперь и другие астрономы стали искать подтверждения открытия. На рис. 8.8 приведены два снимка, полученные по принципу, иллюстрируемому на рис. 8.6. Пульсар, отсутствующий на правом снимке, оказывается нижней из двух центральных звезд на рис. 8.5 (он отмечен стрелками на правом и нижнем полях снимка). С помощью рис. 8.5 можно отыскать пульсар на рис. 7.6, где Крабовидная туманность изображена полностью.

Рис. 8.8. Два снимка, полученные по методу двух телевизионных изображений (см. рис. 8.6), позволяют выявить звезду со снимка на рис. 8.5, которая посылает свет импульсами в ритме пульсара Крабовидной туманности. На рис. 8.5 эта звезда помечена белыми метками на правом и нижнем полях. Сравнивая рис. 8.5 и 7.6, легко найти на снимке пульсар Крабовидной туманности, который здесь ничем не отличается от других звезд. (Фото Ликской обсерватории.)

Что такое пульсар?

После открытия пульсара в Крабовидной туманности стало ясно, что пульсары каким-то образом связаны со взрывами сверхновых. По-видимому, сигналы пульсара идут от того объекта, который остается на месте взрыва сверхновой. Это предположение подтверждается и другим пульсаром, излучение которого исходит из области, где наличие газовых масс указывает на происшедший ранее взрыв сверхновой. Этот взрыв, по всей вероятности, произошел очень давно, задолго до аналогичного события в Крабовидной туманности. В созвездии Паруса разлетающиеся газовые массы выглядят уже не как компактное пятно, а как отдельные «нити», имеющие большую протяженность. Период этого пульсара на 0,09 секунды больше периода пульсара в Крабовидной туманности. Это третий[23] из самых быстрых известных пульсаров. С самого начала велся поиск этого объекта в видимой области спектра. Но успеха удалось добиться лишь в 1977 г.: письмо, полученное 9 февраля редакцией журнала «Nature», в котором говорилось об отождествлении пульсара в созвездии Паруса с видимой звездой, было подписано двенадцатью авторами. Отметим, что наряду с этими двенадцатью учеными, работающими в Англии и Австралии, в предшествующие восемь лет многие астрономы на лучших телескопах мира занимались поисками видимой звезды, «мигающей» в том же ритме, что и пульсар в созвездии Паруса. Так что становится ясно, сколь масштабному всемирному бдению был объявлен отбой этой заметкой. Между прочим, Майкл Дисней, участвовавший в открытии оптического пульсара в Крабовидной туманности, входил и в эту группу ученых.

У всех остальных пульсаров нет и следа излучения в видимой области. Это наводит на следующую мысль. Что бы ни представляли собой пульсары, они возникают в результате взрыва сверхновой. Вначале период пульсара мал еще меньше, чем у пульсара в Крабовидной туманности. Такой пульсар излучает не только в радиодиапазоне, но и в видимой области спектра. С течением времени частота импульсов уменьшается. Не более чем за тысячу лет период пульсара становится равным периоду пульсара в Крабовидной туманности, а затем достигает и периода пульсара в созвездии Паруса. Наряду с увеличением периода ослабевает и интенсивность излучения в видимой области. Когда период пульсара превышает одну секунду, его оптическое излучение давно уже исчезло, и его удается обнаружить лишь по импульсам в радиодиапазоне. Поэтому с видимыми источниками отождествлены лишь два пульсара с самыми короткими периодами. Они относятся к самым молодым пульсарам, и вокруг них удается даже различить газовые облака — останки сверхновых. Более старые пульсары давно уже растратили свою способность излучать в видимой области.

Но что же такое пульсары? Что остается, когда жизнь звезды заканчивается гигантским взрывом? Мы уже знаем, что пространственная область, из которой исходит излучение пульсара, должна быть очень малой. Какие же процессы могут происходить в столь малой области так быстро и с такой регулярностью, чтобы можно было привлечь их к объяснению феномена пульсара? Быть может, это звезды, которые, подобно цефеидам, периодически «раздуваются» и вновь сжимаются? Но в таком случае плотность звездного вещества должна быть очень высокой, так как лишь тогда период осцилляции может быть достаточно малым (вспомним, что период изменения блеска цефеид составляет несколько суток). Нас же интересуют объекты, которые способны осциллировать с периодом в сотые доли секунды. Даже самые плотные из известных нам звезд, белые карлики, неспособны совершать столь быстрые колебания. Возникает вопрос: могут ли звезды иметь еще более высокую плотность, звезды, оставляющие по плотности далеко позади белые карлики с их тоннами на кубический сантиметр?

Первые соображения на этот счет высказали один советский физик и два астронома из Пасадены задолго до обнаружения пульсаров. Лев Ландау (1908–1968) в 1932 г. доказал, что вещество с еще более высокой плотностью может находиться в равновесии с гравитационными силами. Тогда же в Пасадене на самом большом по тем временам телескопе в мире работал выходец из Германии Вальтер Бааде. Он был, несомненно, одним из лучших астрономов-наблюдателей нашего столетия. Там же работал и швейцарец Фриц Цвикки, человек столь же напористый, сколь и неистощимый на выдумки. Еще в 1934 г. эти два ученых утверждали, что смогут существовать звезды с исключительно высокой плотностью — как предсказывал и Ландау, — звезды, состоящие почти полностью из одних нейтронов. В 1939 г. физики Роберт Оппенгеймер и Джордж Волков поместили в американском физическом журнале «Physical Review» статью о нейтронных звездах. Имя одного из авторов этой статьи стало известно во всем мире задолго до того, как астрономы всерьез занялись нейтронными звездами: Оппенгеймер сыграл ведущую роль в создании американской атомной бомбы.

Оппенгеймер и Волков доказали, что звездное вещество, в котором электроны и протоны соединились в нейтроны, может удерживаться в виде шара собственными гравитационными силами. Зная свойства нейтронного вещества, можно осуществить теоретический расчет нейтронных звезд. Анализ математической модели нейтронной звезды показывает, что плотность ее должна быть очень велика: масса, равная солнечной, заключена в объеме шара с поперечником 30 километров в кубическом сантиметре содержатся миллиарды тонн нейтронной материи (рис. 8.9). Но нейтронные звезды, если заставить их осциллировать, будут делать это гораздо быстрее, чем пульсары. Поэтому в качестве объяснения периода пульсаров объемная осцилляция нейтронных звезд не подходит.

Рис. 8.9. Солнце, белый карлик, Земля и нейтронная звезда в сравнении между собой. От Солнца на рисунке поместился только край.

Итак, мы вновь вернулись к тому, с чего начали. Мы искали плотные звездоподобные объекты, которые могли бы совершать достаточно быстрые колебания, — и белые карлики оказались слишком медленными, а гипотетические нейтронные звезды слишком быстрыми.

Томас Голд объясняет пульсары

Коллеги-астрономы называли его Томми. Он родился в Австрии и вовремя успел эмигрировать в Англию. Там он учился, некоторое время работал вместе с Германом Бонди, как и он сам, эмигрантом, и с Фредом Хойлом, а затем переехал в США. Об открытии пульсаров он узнал, будучи преподавателем Корнельского университета в г. Итака (шт. Нью-Йорк). И вот, в то время как в научных журналах одна за другой публиковались скороспелые попытки объяснить существование пульсаров (сводившиеся, главным образом, к попыткам спасти гипотезу пульсирующих звезд), мысль Томми Голда пошла в совершенно ином направлении.

К регулярным периодическим движениям небесных тел относится и собственное вращение объектов. Солнце, например, совершает полный оборот вокруг своей оси за 27 суток; существуют звезды, которые вращаются гораздо быстрее. Не связана ли строгая периодичность пульсаров с каким-либо вращательным движением? Тогда объект должен был бы совершать полный оборот менее чем за секунду-в случае пульсара в Крабовидной туманности тридцать оборотов в секунду! Звезда, однако, не может вращаться сколь угодно быстро, поскольку при слишком высокой скорости она будет разрушена центробежными силами. Предельная скорость вращения звезды определяется величиной гравитации на поверхности звезды; для белого карлика этот предел равен примерно одному обороту в секунду. Если бы скорость вращения белого карлика соответствовала периоду пульсара в Крабовидной туманности, то он не выдержал бы действия центробежных сил. С большей скоростью могла бы вращаться лишь более плотная звезда.

Это возвращает нас к нейтронным звездам: вероятно, периодические «вспышки» пульсара объясняются вращением нейтронной звезды. Для этого нейтронная звезда должна совершать оборот вокруг своей оси за долю секунды, и это вполне возможно: сила тяжести на поверхности нейтронной звезды достаточно велика. Нейтронная звезда может вращаться и гораздо быстрее.

Гипотезу Томми Голда, согласно которой пульсары являются вращающимися нейтронными звездами, астрофизики сразу же приняли как наиболее правдоподобную. Вековое увеличение периода пульсара объяснялось бы тогда постепенным замедлением вращения нейтронной звезды. Это вполне естественно: можно предположить, что энергия, посылаемая пульсаром в виде электромагнитного излучения, черпается за счет энергии вращения нейтронной звезды. Вращение могло бы постепенно замедляться только из-за потерь энергии на излучение, хотя в действительности торможение сильнее.

Ученые пришли к выводу, что энергия, высвобожденная в результате замедления вращения пульсара в Крабовидной туманности, расходуется не только на излучение самого пульсара, но и на излучение всей туманности. Этим разрешается и еще одно затруднение.

В то время как свечение обычных туманностей — например, планетарной туманности на рис. 7.5 или туманности Ориона на рис. 12.1 — обусловлено излучением атомов, свечение Крабовидной туманности имеет совершенно иное происхождение. Электроны, обладающие в результате взрыва Сверхновой огромной энергией, движутся здесь со скоростью, близкой к скорости света. В магнитном поле туманности электроны движутся по круговым орбитам, излучая при этом свет. Оставался нерешенным вопрос, почему эти электроны с 1054 г. движутся все так же быстро, почему они не замедлились, теряя свою энергию на излучение. Со временем интенсивность излучения должна ослабевать, и свечение Крабовидной туманности меркнуть. По-видимому, электроны пополняют свою энергию за счет какого-то внешнего источника. Теперь этот источник был найден. Если Томми Голд прав, то в Крабовидной туманности находится вращающаяся нейтронная звезда, которая, возможно, через свое магнитное поле передает энергию окружающему газу. Как гигантский пропеллер, вращается нейтронная звезда в туманности, обеспечивая электронам высокую скорость, а Крабовидной туманности — большую яркость. Запаса энергии вращения нейтронной звезды хватит еще на много тысячелетий.

Итак, мы нашли механизм, объясняющий регулярность посылаемых пульсаром импульсов. Однако нужно еще понять, как именно возникает радиоизлучение. Поскольку речь идет не о непрерывной волне, а об импульсе, при котором в течение большей части периода энергия равна нулю и лишь кратковременно энергия очень велика, можно предположить, что звезда посылает излучение в определенном направлении и мы регистрируем его в тот момент, когда луч вращающейся звезды-прожектора «чиркает» по Земле — точно так же, как с корабля видят луч вращающегося фонаря на маяке.

По всей видимости, нейтронная звезда обладает магнитным полем, подобно Земле, но значительно более сильным (мы вернемся к этому в гл. 10 в связи с рентгеновскими звездами). Предположим, что магнитная ось звезды не совпадает, как и у Земли, с ее осью вращения. При вращении нейтронной звезды магнитное поле также вращается, и получается картина, показанная на рис. 8.10: на поверхности вращающейся нейтронной звезды, обладающей магнитным полем, где нейтроны вновь превращаются в протоны и электроны, господствуют мощные электрические силы, под действием которых заряженные частицы уносятся прочь от звезды. Частицы движутся вдоль магнитных силовых линий в пространстве. Их энергии достаточно для того, чтобы Крабовидная туманность и сегодня, через тысячу лет после своего возникновения, могла светиться. Движение заряженных частиц поперек магнитных силовых линий затруднено, поэтому они покидают нейтронную звезду, главным образом в области ее магнитных полюсов, уходя вдоль искривленных силовых линий. Это схематически показано на рис. 8.10. Электроны, как самые легкие частицы, покидают звезду с самой большой скоростью, близкой, по всей видимости, к скорости света. Двигаясь со столь высокой скоростью по искривленной траектории, электрон излучает энергию, причем не во все стороны, а преимущественно в направлении своего движения. Таким образом, излучение звезды в целом направлено вдоль выходящих из звезды силовых линий магнитного поля. А так как магнитное поле вращается вместе со звездой, вращаются и конические пучки выходящего излучения. Удаленный наблюдатель видит их в тот момент, когда он попадает в один из этих двух конусов; для него нейтронная звезда будет вспыхивать с частотой, соответствующей скорости ее вращения. Многие астрофизики сегодня считают, что эта модель, напоминающая вращающийся прожектор морского маяка, во многом верна.

Рис. 8.10. Возможная модель возникновения сигналов пульсара. Вблизи магнитных полюсов N и S вращающейся нейтронной звезды электроны вылетают с близкой к световой скоростью вдоль магнитных силовых линий в пространство. При этом они излучают вблизи звезды энергию в направлении, близком к направлению вылета (красные волнистые стрелки). Поэтому от звезды в пространство идут два конуса излучения (справа), которые вращаются вместе со звездой. Эти конусы бегут в пространстве, как лучи двух прожекторов. Наблюдатель регистрирует излучение, только когда оказывается в луче. Ему кажется, что нейтронная звезда вспыхивает с частотой, соответствующей частоте ее вращения.

Вопросы, на которые нет ответов

Весной 1969 г. две обсерватории независимо одна от другой обнаружили, что медленное, но неуклонное нарастание периода пульсара нарушилось и интервал между двумя соседними импульсами сократился (рис. 8.11). Затем период вновь стал увеличиваться с прежней скоростью. Мы приняли, что пульсар является вращающейся нейтронной звездой, вращение которой постепенно замедляется из-за передачи энергии в окружающую среду. Что же могло заставить звезду ускорить свое вращение?

Рис. 8.11. Скачкообразное изменение периода пульсара. Период пульсара постепенно увеличивается, затем скачком уменьшается (справа вверху) и снова продолжает расти.

Изменение периода происходит скачкообразно. Физики-ядерщики, лучше знакомые с нейтронами, чем астрофизики, высказали такое предположение. На поверхности нейтронной звезды образовались прочные корки-«плиты», которые при охлаждении нейтронной звезды, оставшейся после взрыва сверхновой, отрываются одна от другой. В результате подобных сдвигов и оползней скорость вращения нейтронной звезды может увеличиваться. Объясняет ли это резкое сокращение периода, которое с тех пор наблюдалось уже неоднократно? Глобальные движения земной коры действительно сказываются на скорости вращения Земли и, следовательно, на продолжительности суток. Наблюдается ли нечто подобное и у пульсаров? Не являются ли наблюдаемые скачки их периода свидетельством происходящих в них катаклизмов? В последнее десятилетие значительные успехи достигнуты в новой области наблюдательной астрономии — так называемой гамма-астрономии. Гамма-излучение можно рассматривать как свет с очень малой длиной волны, еще более короткой, чем у рентгеновского излучения. Гамма-излучение обладает очень высокой энергией: отдельный гамма-квант несет примерно в миллион раз больше энергии, чем квант видимого света. Однако гамма-излучение, как и рентгеновское, почти не проходит сквозь атмосферу Земли, поэтому исследование приходящих из Вселенной гамма-лучей началось лишь после того, как с помощью ракет и спутников наблюдения стали осуществляться из космоса. К наиболее впечатляющим открытиям в области гамма-астрономии относится тот факт, что многие пульсары посылают импульсы и в гамма-диапазоне. Благодаря огромной энергии гамма-квантов складывается впечатление, что именно гамма-излучение является для пульсаров основным, в то время как радиоизлучение, по которому пульсары были впервые обнаружены, оказывается скорее побочным эффектом, который можно уподобить звуку, сопровождающему разрыв снаряда. Гамма-импульсы идут в том же ритме, что и радиоимпульсы, но не совпадают с ними. Явления, связанные с гамма-излучением пульсаров, до сих пор не поняты.

С точки зрения астрономов пульсары представляют еще одну сложность. В настоящее время уже известно такое количество пульсаров, что можно предположить существование в одной только нашей Галактике около миллиона активно действующих пульсаров. С другой стороны, несколько последних десятилетий ведутся наблюдения удаленных галактик с целью установить, какое количество взрывов сверхновых происходит в среднем за столетие. Это позволяет сделать вывод о том, сколько нейтронных звезд возникло с древнейших времен в нашем Млечном Пути. Оказывается, что число пульсаров значительно превосходит то количество нейтронных звезд, которое могло образоваться в результате взрывов сверхновых. Значит ли это, что пульсары могут возникать и иным путем? Быть может, некоторые пульсары образуются не в результате взрывов звезд, а в ходе менее эффектных, но более упорядоченных и мирных процессов?[24]

За открытие пульсаров Энтони Хьюишу в 1974 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Открытие действительно было выдающимся, и лишь название оказалось неточным. Пульсары вовсе не пульсируют. Это название дали им тогда, когда еще полагали, что это звезды, которые, подобно цефеидам, периодически расширяются и сжимаются. Теперь мы знает, что пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды. Однако название прижилось. Но можем ли мы быть полностью уверены в том, что Томми Голд прав? Действительно ли пульсары — это нейтронные звезды? Тень сомнения оставалась у астрофизиков до тех пор, пока не были обнаружены рентгеновские звезды. Но о них мы узнаем в гл. 10.

Глава 9

Когда звезда у звезды крадет массу

Как мы уже знаем, двойные звезды оказались для астрофизиков чрезвычайно благодарным объектом исследований. Двойные звезды позволяют узнать гораздо больше, чем одиночные. Это относится не только к рентгеновским звездам, о которых пойдет речь в следующей главе, но и к обычным звездам, входящим в двойные системы. Некоторое время назад считалось даже, что двойные звезды доказали нам неправильность всех прежних представлений о развитии звезд. Некоторые исследователи двойных систем были убеждены в том, что звезды развиваются совершенно не так, как показывают результаты компьютерного моделирования, проведенного в 50-60-е годы.

Почву для сомнений дал определенный тип двойных звезд, знакомство с которыми началось, когда в 1667 г. астроном из Болоньи Джемиани Монтанари заметил, что вторая по яркости звезда в созвездии Персея какое-то время светила гораздо слабее, чем прежде.

Алголь, Голова дьявола

Птолемей называл эту звезду Головой Медузы, которую Персей (в его честь названо созвездие) держит в руке. Евреи дали ей имя Голова дьявола, а арабы — Рас аль Гуль, что означает «неспокойный дух». К арабскому названию восходит и современное наименование этой звезды: Алголь. Монтанари заметил, что Алголь — переменная звезда, а более чем через сто лет 18-летний англичанин Джон Гудрайк понял, в чем тут дело. В ночь на 12 ноября 1782 года он был поражен тем, что яркость звезды уменьшилась раз в шесть по сравнению с обычной. Следующей ночью Алголь вновь ярко сиял. 28 декабря того же года явление повторилось: в 17.30 Алголь светил слабо, но через три с половиной часа он вновь был ярким. Гудрайк продолжал наблюдения, и вскоре ключ к загадке был найден. Обычно Алголь ярок, но через каждые 69 часов его яркость в течение 3,5 часа убывает более чем в шесть раз, а в следующие 3,5 часа восстанавливается до нормальной.

Гудрайк нашел объяснение, которое и сегодня остается верным. В журнале «Philosophical Transactions» Лондонского Королевского общества одаренный молодой человек (как мы уже знаем, глухонемой от рождения) писал: «Если бы не было еще слишком рано высказывать догадки о причинах этого явления, я мог бы предположить, что едва ли ответственным за него может быть нечто иное, нежели либо прохождение перед звездой крупного небесного тела, обращающегося вокруг Алголя, либо же собственное движение Алголя, в ходе которого к Земле регулярно поворачивается его сторона, покрытая пятнами или чем-то подобным». Но понадобилось еще сто лет, чтобы ему поверили. Сегодня мы знаем, что первое объяснение было верным. Звезда-спутник с периодом обращения 69 часов регулярно проходит перед Алголем и частично затмевает его.

Это явление каждый может наблюдать невооруженным глазом нужно только знать, где находится на небе Алголь. Звезда эта почти всегда яркая, и обычно в ней не обнаруживается ничего особенного. Время от времени, однако, Алголь оказывается столь же слабым, как и находящаяся по соседству слабая звездочка Ро Персея.

Сегодня известно много переменных звезд, которые, подобно Алголю, периодически затмеваются своими спутниками в начале этой книги мы уже упоминали о затменно-переменной звезде Дзета Возничего. Все затменно-переменные представляют собой очень тесные двойные системы и находятся так далеко, что даже в лучший телескоп не удается увидеть каждую из звезд по отдельности. Однако по тому, как протекает затмение, можно много сказать о звездной паре. И го, что удалось узнать о звездах типа Алголя, противоречило, казалось, всему, что считалось известным о развитии звезд.

Сложные взаимодействия в двойных звездах

На вещество звезды, вокруг которой обращается звезда-спутник, действует не только собственная сила тяжести, направленная к центру, но и сила притяжения со стороны второй звезды. Кроме того, существенную роль играет и центробежная сила, обусловленная собственным вращением звезды.

Поэтому сила притяжения звезды, вблизи которой находится другая звезда, изменяется в ее окрестности весьма сложным образом. К счастью, еще в середине прошлого века работавший в Монпелье французский математик Эдуард Рош нашел ряд упрощений, которыми и поныне пользуются астрофизики.

У одиночной звезды все окружающее вещество под действием силы притяжения звезды устремляется к ее центру. В двойной же звездной системе в любой точке пространства действует также сила притяжения второй звезды, направленная к ее центру. В области, где эти силы действуют в противоположных направлениях (вдоль линии, соединяющей центры звезд), силы притяжения двух звезд могут полностью или частично компенсировать друг друга (рис. 9.1). Обозначим наши звезды цифрами 1 и 2. Поскольку сила притяжения быстро убывает с увеличением расстояния до гравитирующей массы, в непосредственной близости к звезде 1 преобладает ее сила притяжения, а вблизи звезды 2 верх берет притяжение второй звезды. Для каждой из звезд поэтому можно определить так называемый «разрешенный» объем, из которого весь находящийся в нем газ будет только притягиваться к этой звезде. Внутри этого объема, который часто называют полостью Роша, преобладает сила притяжения соответствующей звезды. При сечении полостей Роша плоскостью, проходящей через обе звезды, получится кривая, показанная штриховой линией на рис. 9.1. При расчетах полостей Роша учитываются и центробежные силы, действующие на газ, вовлеченный в собственное вращение звезды. Вещество, находящееся за пределами полостей Роша обеих звезд, может выбрасываться центробежными силами из системы или притягиваться к любой из звезд. Но, попав в полость Роша, вещество должно упасть на соответствующую звезду. Размеры полостей Роша зависят от массы каждой из звезд и расстояния между ними и для хорошо известных двойных звезд легко рассчитываются.

Рис. 9.1. Силы в тесной двойной системе. Обе звезды показаны черными точками. Стрелки указывают направление, в котором на частицу газа действует сила в данной точке. Вблизи каждой звезды преобладает сила тяжести (стрелки направлены к звезде). На линии, соединяющей центры звезд, имеется точка, где силы тяжести уравновешиваются. Поскольку обе звезды обращаются одна относительно другой (положение оси вращения и направление вращения указаны вверху), на большом удалении от оси (справа и слева на рисунке) преобладает центробежная сила, стремящаяся выбросить вещество в пространство. У каждой звезды имеется некоторый максимальный возможный объем. Когда звезда, расширяясь, выйдет за пределы области, показанной красной штриховой линией, часть ее оболочки перейдет к другой звезде. Максимальный возможный объем звезды в двойной системе называется полостью Роша.

Наблюдая двойные звезды, часто обнаруживают системы, в которых каждая из звезд намного меньше своей полости Роша (рис. 9.2, а). На поверхности каждой звезды преобладает ее собственная сила тяжести, направленная к центру. Грубо говоря, ни одна из звезд «не замечает», что у нее есть спутник. Не удивительно поэтому, что звезды в подобной системе ее называют разделенной двойной — ничем не отличаются от одиночных звезд. Чаще всего обе они принадлежат к главной последовательности и представляют собой звезды, существующие за счет водородного термоядерного синтеза и израсходовавшие еще небольшую часть своего «топлива».

Рис. 9.2. а — разделенная двойная система. Каждая из звезд заметно меньше своего объема Роша, показанного черной штриховой линией; б — полуразделенная двойная система. Левая звезда полностью заполнила свой объем Роша.

Но существуют и такие двойные, у которых одна компонента существенно меньше своей полости Роша, а другая уже заполнила свой предельный объем; такие системы называют полуразделенными (рис. 9.2, б) к этому типу относится и Алголь. Вот здесь начинаются сложности.

Парадоксы Алголя и Сириуса

Более массивная компонента полуразделенной двойной системы меньше своей полости Роша и является нормальной звездой главной последовательности. Совершенно иначе обстоит дело с менее массивной компонентой: она уже достигла пределов полости Роша и на диаграмме Герцшпрунга-Рессела (Г-Р) находится справа от главной последовательности, заметно сместившись от нее в сторону красных гигантов (рис. 9.3). И в то время как более массивная компонента еще не израсходовала свой запас водорода — ведь она находится на главной последовательности, — у менее массивной, по-видимому, водород в центре уже выгорел, и поэтому она переходит в область красных гигантов.

Рис. 9.3. В полуразделенной двойной системе более массивная компонента (красная точка) еще находится на главной последовательности, а менее массивная (красный кружок) уже ушла с главной последовательности. Не противоречит ли это теории, согласно которой более массивная компонента должна первой покинуть главную последовательность?

Это, однако, переворачивает с ног на голову все наши представления об эволюции звезд. Мы уже видели, что более массивные звезды эволюционируют быстрее и свой запас водорода расходуют раньше. Здесь же мы имеем дело с двумя звездами одного возраста, и при этом менее массивная первой проявляет признаки выгорания. В том, что возраст компонент двойной одинаков, сомневаться не приходится. Звезды должны были образоваться одновременно, поскольку захват одной звезды другой невозможен. Почему же менее массивная звезда стареет раньше? Неужели наши основные представления об эволюции звезд неверны?

Представления о развитии звезд приводят нас к затруднениям не только в случае двойных звезд типа Алголя-сложности возникают и при рассмотрении разделенных двойных.

Обратимся, например, к Сириусу. Мы уже знаем, что он образует двойную систему со своим спутником, белым карликом с массой 0,98 солнечной. Расчеты на ЭВМ показывают, что звезда с массой меньше солнечной может превратиться в белый карлик не раньше, чем через 10 миллиардов лет после своего возникновения. Поэтому спутник Сириуса должен в любом случае быть намного старше нашего Солнца. Главная же звезда системы имеет массу в 2,3 солнечных, и поэтому должна развиваться гораздо быстрее.

Однако она обладает всеми признаками молодой звезды, существующей за счет термоядерного горения водорода. Получается, что и в этой системе более массивная компонента еще не израсходовала свой водород, а менее массивная, напротив, уже вошла в стадию угасания.

Сириус не является патологическим исключением существует много двойных звезд, в которых менее массивный белый карлик соседствует с более массивной «молодой» звездой.

Двойные звезды в компьютере

Собственно говоря, в основных положениях теории звездной эволюции сомневаться не следовало. В конце концов результаты теории очень хорошо согласовались с наблюдениями звездных скоплений. Почему же с эволюцией звезды начинается такая неразбериха, когда она находится в двойной системе, а не в звездном скоплении, где звезды удалены друг от друга на значительные расстояния? Дело тут может быть только во взаимном влиянии звезд друг на друга.

Основной эффект состоит не в деформации, которую испытывают подобные близко расположенные звезды: отклонение формы звезды от сферической затрагивает только ближайшие к поверхности слои, которые не играют практически никакой роли в эволюции. Главное здесь в том, что звезда не может быть сколь угодно большой.

Представим себе, что звезда по известным причинам расширяется, и происходит это до тех пор, пока она не достигнет своего максимально допустимого объема — объема своей полости Роша. При дальнейшем расширении звезды часть ее внешней оболочки попадет в полость Роша ее спутника. Отсюда вещество расширяющейся звезды должно падать на спутник. Вот в этом и состоит особенность эволюции тесно расположенных двойных звезд: масса звезды может претерпевать со временем резкие изменения. Ведь каждая звезда начинает расширяться, когда в ее центре запасы водорода истощаются в результате ядерных реакций с выделением энергии.

В двойной системе, где вначале, как на рис. 9.2, а, компоненты полностью разделены, более массивная компонента первой расходует свой водород и готова уже превратиться в красный гигант. Однако довольно скоро она, расширяясь, заполняет свою полость Роша, по мере дальнейшего расширения ее масса переходит к звезде-спутнику. Но что происходит дальше, сразу сказать трудно.

И вновь на помощь приходит компьютер. По существу дальнейшее мало чем отличается от эволюции одиночной звезды. Нужно только вразумительно растолковать компьютеру, что в распоряжении расширяющейся звезды имеется лишь ограниченный объем. Компьютер должен рассчитать величину этого объема на каждый момент эволюции звезды и сравнить его с объемом самой звезды. Если объем звезды окажется больше ее полости Роша, то избыточную массу следует отнять и рассчитать модель для звезды с соответственно меньшей массой. Избыток же массы переходит к другой звезде. Перенос массы от одной звезды к другой приводит к изменению сил притяжения каждой из них, а также скорости вращения и, следовательно, центробежной силы. Поэтому компьютер должен всякий раз вновь рассчитывать объемы полостей Роша и определять, находятся ли звезды после передачи массы внутри своих полостей Роша или же происходит дальнейший унос вещества с одной из звезд на другую. Таким образом, на вычислительной машине удается моделировать эволюцию звезд, обменивающихся массой, и мы получаем в распоряжение аппарат, позволяющий исследовать развитие двойных звездных систем на различных примерах.

Первое решение «парадокса Алголя» предложил Дональд Мортон в своей диссертации, которую он подготовил в начале 1960 года в Принстоне у М. Шварцшильда. К 1965 году на компьютере научились моделировать и более сложные этапы звездной эволюции, и мы с Альфредом Вайгертом в Гёттингене занялись этой задачей. Нам удалось рассчитать несколько вариантов эволюции двойных систем. Приведем здесь лишь два примера.

История первой звездной пары: возникновение полуразделенной системы

Этот расчет был первым из произведенных нами. Исходными послужили две звезды с массой в 9 и 5 солнечных, обращающиеся одна относительно другой с периодом 1,5 суток на расстоянии 13,2 солнечных радиуса. Поначалу эволюционирует более массивная компонента; скорость эволюции менее массивной компоненты сравнительно мала. По мере того, как звезда с массой в 9 солнечных масс расходует все большую и большую долю своего водорода, ее внешняя оболочка медленно расширяется. Через 12,5 миллионов лет количество водорода в центре звезды уменьшается примерно наполовину, и к этому времени звезда расширяется настолько, что подходит к границам своей полости Роша. На диаграмме Г-Р (рис. 9.4) ее теперешнее состояние изображается точкой а. Дальнейшее расширение звезды становится невозможным: ее вещество должно переходить к спутнику.

Рис. 9.4. Эволюция тесной двойной системы с компонентами в 5 и 9 солнечных масс. У более массивной компоненты истощение запасов водорода начинается раньше. Она могла бы стать красным сверхгигантом (красная пунктирная линия). Однако уже в точке а она полностью заполняет свою полость Роша, и в результате быстрой передачи массы своему спутнику переходит в точку b (красная штриховая линия), а менее массивная компонента перемещается по главной последовательности вверх (черная штриховая стрелка). Звезда, которая была более массивной, а теперь стала менее массивной компонентой, дожигает в своей центральной области остатки водорода и переходит из точки b в точку с, где ее масса равна теперь всего трем солнечным, в то время как масса ее спутницы равна 11 солнечным (цифрами на диаграмме обозначены массы компонент в массах Солнца).

Расчет показывает, что передачи малой доли вещества недостаточно, чтобы остановить увеличение объема звезды. Дальнейшая эволюция происходит катастрофически: за 60 000 лет звезда отдает своему спутнику 5,3 солнечных массы из своих 9, и масса спутника становится равной 5 + 5,3 — 10,3 солнечных массы. Звезда-спутник накопила такое количество звездного вещества, что ее масса стала существенно больше. За время, очень малое по звездным масштабам, более массивная и менее массивная компоненты двойной поменялись ролями. «Ограбленная» звезда находится теперь на диаграмме Г-Р в точке b. Ранее, когда она еще была более массивной компонентой двойной, она израсходовала значительную часть своего водорода и теперь является «старой» звездой. Поэтому она стоит справа от главной последовательности. Для нее наступает период медленной эволюции, во время которого она сжигает в центре остатки своего водорода. При этом она постепенно расширяется и в течение следующих десяти миллионов лет понемногу отдает массу своей звезде-спутнику.

Компонента, которая имеет теперь большую массу, начинает понемногу стариться. Но еще многие миллионы лет она не покинет главную последовательность. В этот период двойная система обладает всеми признаками, характерными для системы Алголя: более массивная компонента еще не состарилась и находится на главной последовательности, а менее массивная уже ушла с главной последовательности и полностью заполняет свою полость Роша!

Причина того, что в Млечном Пути мы наблюдаем только такие двойные, в которых быстрый обмен массой либо еще не произошел (разделенные системы), либо уже завершился (полуразделенные системы), состоит в следующем: время, в течение которого происходит обмен веществом, в 200 раз короче периодов спокойной эволюции до и после обмена. Соответственно и шансов застать систему «с поличным» в момент обмена в 200 раз меньше. В принципе Дональд Мортон дал верное описание пятью годами раньше в своей диссертации.

История второй звездной пары: возникновение белого карлика

При проведении этого расчета в нашу группу вошел также Клаус Коль, впоследствии перешедший работать в компьютерную промышленность. Расчет делался для не слишком массивных звезд с массой в 1 и 2 солнечных, удаленных друг от друга на расстояние 6,6 солнечного радиуса. Результаты показаны на диаграмме Г-Р на рис. 9.5 и в масштабе на рис. 9.6.

Рис. 9.5. Возникновение белого карлика. Более массивная компонента (две солнечных массы) движется из точки а, менее массивная (одна солнечная масса) — из точки а на главной последовательности. Более массивная компонента развивается быстрее и первой заполняет свою полость Роша (точка b). Отдавая массу своей спутнице, она по штриховой красной кривой переходит в точку d, где передача массы заканчивается. Звезда, у которой осталось всего 0,26 массы Солнца, переходит в точку е и становится белым карликом. Ее спутница переходит по главной последовательности вверх в точку d. (См. также рис. 9.6.)

Рис. 9.6. Наглядное изображение эволюции звезд, показанной на диаграмме Г-Р на рис. 9.5. Буквы соответствуют точкам на диаграмме рис. 9.5. Полость Роша для каждой из звезд указана черной штриховой линией. Видно, что в результате массообмена расстояние между звездами может заметно измениться; соответственно изменяется и объем полости Роша. Вертикальная линия на рисунке соответствует оси вращения двойной системы. В результате эволюции вместо двух звезд главной последовательности (вверху) получаются (внизу) одна звезда главной последовательности (справа) и крошечный белый карлик (слева).

Здесь опять более массивная компонента поначалу эволюционирует быстрее и ее радиус непрерывно растет. Расстояние между звездами выбрано, однако, таким, что звезда достигает границ своей полости Роша лишь тогда, когда водород в ее центре уже полностью превратится в гелий. Этот критический момент наступает для звезды через 570 миллионов лет. Как и в предыдущем случае, начинается быстрый (за 5 миллионов лет) перенос массы, и звезда отдает примерно одну солнечную массу своей звезде-спутнику, а затем происходит все более и более медленная передача вещества, так что в результате через 120 миллионов лет от двух солнечных масс у звезды остается лишь 0,26 солнечной массы. Звезда теряет почти полностью свою богатую водородом оболочку, и у нее остается лишь гелий, который образовался в ее глубинах в результате сгорания водорода в термоядерной реакции. Теперь эта звезда с массой 0,26 солнечной состоит внутри из гелия, а снаружи ее окружает разреженная водородная оболочка большого радиуса. К концу обмена веществом звезда превращается в красный гигант. Компьютерная модель позволяет заглянуть внутрь этой гигантской звезды, чего нельзя сделать непосредственно. Почти вся сфера в 10 солнечных радиусов заполнена разреженным газом водородной оболочки; 99 % массы звезды составляет гелий, сосредоточенный в малом центральном ядре, которое по диаметру в 20 раз меньше Солнца. Внутри красного гиганта находится белый карлик! Но пока что наша звезда имеет протяженную оболочку. По окончании обмена веществом звезда теряет способность расширяться, и оболочка «схлопывается» на центральное маленькое гелиевое ядро. Радиус звезды резко уменьшается, и теперь она и снаружи выглядит как белый карлик. На диаграмме Г-Р звезда смещается в левую нижнюю часть, туда, где находятся белые карлики.

Что же происходит тем временем со звездой-спутником? Она приобретает от изначально более массивной компоненты 2–0,26 = 1,74 солнечной массы. Таким образом, главная звезда и спутник меняются ролями. Но звезда, которая теперь стала более массивной (2,74 солнечной массы), еще не успела после получения дополнительной массы претерпеть значительную эволюцию, в то время как другая звезда уже превратилась в белый карлик. Итак, полученное решение доказывает, что в двойной звездной системе могут сосуществовать белый карлик и более массивная молодая главная звезда, что наблюдается, например, в системе Сириуса.

Кажущиеся парадоксы и затруднения разрешились. Данные, полученные в результате наблюдения двойных звезд, еще раз показывают, что основные представления теории звездной эволюции в целом верны.

В небе наблюдается много разделенных двойных систем, у которых массы компонент и расстояния между ними таковы, что в будущем, когда более массивная компонента израсходует свой водород, произойдет обмен массой по приведенному выше сценарию, и в конечном счете будет рожден белый карлик.

Нельзя сказать с уверенностью, что описанная история звездной пары, завершившаяся образованием белого карлика, действительно описывает эволюцию системы Сириуса. Некоторые особенности этой звездной пары дают основания для сомнений. Мы, однако, уже видели, что одиночная звезда может избавиться от своей оболочки благодаря звездному ветру или за счет образования планетарной туманности и превратится в белый карлик. Возможно, в системе Сириуса и не происходил обмен веществом, а более массивная изначально компонента совершенно самостоятельно сбросила свою оболочку. При этом основная доля массы ушла в межзвездное пространство и лишь малая часть досталась звезде-спутнику. Но и тогда парадокс разрешается, так как ранее эта звезда эволюционировала быстрее своего спутника благодаря тому, что ее масса была больше. Во всяком случае, нынешняя менее массивная компонента была прежде более массивной.

Обмен массой между компонентами двойной звездной системы играет важную роль и в феномене новых звезд. С древних времен известны эти яркие вспышки звезд, однако лишь после 1945 г. стало ясно, что все новые являются, по-видимому, двойными звездами.

Новая в созвездии Лебедя 29 августа 1975 года

Тот, кому случилось посмотреть на небо вечером в пятницу 29 августа 1975 года, должен был заметить-во всяком случае, если ему были знакомы очертания основных созвездий, — что в созвездии Лебедя что-то не так. Здесь появилась звезда, которой раньше не было. В странах к востоку от нас это заметили раньше, так как там раньше наступили сумерки и на небе раньше показались звезды. Когда же и к нам пришла ночь, многие увидели высоко в небе новую звезду (рис. 9.7). Астрономы-любители навели на нее свои телескопы, и профессионалы поспешили под куполы обсерваторий. Неужели произошло событие, которого ожидали со времен Кеплера, и нам посчастливилось наблюдать вспышку Сверхновой в нашем Млечном Пути? Стали ли мы свидетелями возникновения нейтронной звезды, подобной Сверхновой в Крабовидной туманности?

Рис. 9.7. Вспышка Новой в созвездии Лебедя 29 августа 1975 года. Точки соответствуют отдельным измерениям блеска.

Сегодня звезда в созвездии Лебедя представляет собой неприметный слабый объект, который можно увидеть только в телескоп. Это была не та заветная звезда, появления которой ждали так долго: звезда в созвездии Лебедя была не сверхновой, а всего лишь новой.

То, что наряду со взрывами сверхновых случаются также и малые, безобидные вспышки, было замечено, по всей видимости, впервые в 1909 г., когда в Туманности Андромеды вспыхнули две звезды. Эти вспышки были, однако, в тысячу раз слабее, чем взрыв Сверхновой, который наблюдал за четверть века до этого в той же галактике Гартвиг. Сегодня мы знаем, что выделение энергии при этом соответствовало вспышкам других звезд, наблюдавшимся и в нашем Млечном Пути. Особенно красивое явление можно было наблюдать в 1901 г. в созвездии Персея в Млечном Пути.

Новые, как называют эти вновь вспыхивающие звезды, не имеют ничего общего с феноменом сверхновых. Они существенно слабее и возникают существенно чаще. В одной только галактике, которую мы называем Туманностью Андромеды, ежегодно отмечают 20–30 вспышек новых. Пользуясь старыми фотографическими снимками, можно увидеть, что в том месте, где отмечена новая, обязательно находилась звезда. Через несколько лет после вспышки звезда вновь приобрела свои прежние характеристики. Таким образом, происходит резкое увеличение яркости звезды, после чего все идет по-прежнему.

Нередко впоследствии по соседству с новой замечают небольшую туманность, которая разлетается с большой скоростью, очевидно, в результате взрыва. Однако в отличие от туманностей, образующихся после взрывов сверхновых, это облачко обладает очень малой массой. Звезда не взрывается, а лишь выбрасывает часть своего вещества, по-видимому, не более тысячной доли своей массы.

Новая 1934 года

Что же это за звезды, которые неприметно таятся в небе и вдруг буквально за один день вспыхивают так ярко, что начинают светить в десятки тысяч раз сильнее обычного, а затем месяц за месяцем становятся все слабее, чтобы через несколько лет вернуться к своему прежнему заурядному существованию, которое они влачили до своего недолгого торжества?

Вполне типичной представительницей таких звезд является Новая, вспыхнувшая в декабре 1934 года в созвездии Геркулеса. Тогда она была ярче всех остальных звезд этого созвездия. В апреле 1935 года ее яркость резко упала, но она оставалась еще достаточно яркой, чтобы ее можно было различить невооруженным глазом. Сегодня эту звезду удается наблюдать в средний телескоп.

Что же дали наблюдения этого слабого объекта? Самое главное, пожалуй, в том, что при внимательном изучении эта экс-новая оказалась двойной звездой. Это открыл в 1954 г. американец Мерл Уокер из Ликской обсерватории. Звезды этой системы обращаются с периодом 4 часа 39 минут. Благодаря тому, что звезды при обращении затмевают друг друга, о них удалось узнать больше. Одна из звезд — белый карлик с массой, равной солнечной. Вторая, по всей вероятности, обычная звезда главной последовательности с меньшей массой. Но эта система преподнесла и сюрприз. Главная звезда полностью заполняет свою полость Роша, и с ее поверхности вещество переходит на белый карлик. Как и в системе Алголя, мы имеем дело с полуразделенной системой, в которой происходит перенос вещества с одной звезды на другую, но в данном случае вещество попадает на белый карлик.

Знаем мы и еще кое-что. Вещество не сразу попадает на карлик. Поскольку вся система вращается, центробежная сила отклоняет поток вещества, и газ собирается вначале в кольцо, окружающее белый карлик. Отсюда вещество постепенно переходит на поверхность белого карлика (рис. 9.8). Кольцо это увидеть невозможно. Но при вращении системы главная звезда проходит перед кольцом и часть за частью затмевает его. Это выражается в уменьшении количества наблюдаемого нами света, вклад в который дает и светящееся кольцо. Изучались не только структура кольца и его протяженность. Выяснилось, что температура особенно высока в том месте, где вещество, уходящее с главной звезды, попадает на газовое кольцо. На кольце есть горячее пятно, которое возникает там, где газовый поток, попадая на кольцо, тормозится и часть энергии его движения превращается в тепло. Кроме того, обнаружено, что белый карлик в двойной системе Новой Геркулеса сам изменяет свою яркость с периодом 70 секунд. И всякий раз, внимательно изучая бывшие новые, ученые обнаруживали, что имеют дело с двойной звездной системой, в которой белый карлик получает вещество от нормальной звезды главной последовательности. Существуют также звезды, родственные новым так называемые карликовые новые. Вспышки их гораздо слабее и повторяются не вполне регулярным образом. Эти объекты также являются двойными системами указанного типа.

Рис. 9.8. Компоненты двойной системы, которую мы наблюдаем как Новую, движутся в направлении красных стрелок. Звезда главной последовательности заполнила свою полость Роша. Вещество с ее поверхности переходит на спутник — белый карлик. Однако прежде чем упасть на белый карлик, вещество образует вращающийся диск (диск аккреции). Там, где поток вещества попадает на диск аккреции, наблюдается горячее яркое пятно. (Рисунок X. Риттера.)

Ядерные взрывы в двойных звездных системах

В чем же причина резкого высвобождения огромного количества энергии в двойной системе, вследствие которого на короткое время яркость объекта увеличивается в десятки тысяч раз?

Идея, позволившая дать ответ на этот вопрос, восходит к Мартину Шварцшильду, к Роберту Крафту, работающему в настоящее время в Ликской обсерватории, и к расчетам, проведенным Пьетро Джанноне (сейчас он в Римской обсерватории) и Альфредом Вайгертом в 60-е годы в Гёттингене. Теорию разработал Самнер Старфилд со своими коллегами из Университета шт. Аризона в Темпе.

Хотя в своих глубинах белый карлик достаточно горяч, чтобы там могла начаться водородная термоядерная реакция, он образовался в центральной области красного гиганта, где водород давно уже превратился в гелий, да и гелий, по всей вероятности, преобразован в углерод. Поэтому внутри белого карлика водорода нет. Но газ, который поступает на белый карлик от соседней звезды главной последовательности, богат водородом. Вначале вещество попадает на относительно холодную поверхность карлика, где температура слишком низка для возникновения термоядерной реакции. На поверхности образуется богатый водородом слой, который со временем становится все плотнее. Этот слой подогревается снизу, там, где он контактирует с веществом белого карлика. Так продолжается до тех пор, пока температура слоя не достигнет примерно 10 миллионов градусов. При этой температуре водород «вспыхивает», и гигантский взрыв уносит всю водородную оболочку в пространство. Старфилд и его коллеги рассчитали на ЭВМ модель такой водородной бомбы на поверхности белого карлика, и эта модель, судя по всему, хорошо объясняет феномен новых звезд.

В пользу этого говорит и тот факт, что многие новые (а возможно, и все) вспыхивают периодически. Так, в 1946 г. в созвездии Северная Корона была отмечена Новая, которая уже вспыхивала в 1866 г. У некоторых новых наблюдались три и более вспышек (рис. 9.9). Повторные вспышки хорошо согласуются с теорией. После взрыва звезда главной последовательности, с которой ничего не происходит, продолжает питать белый карлик веществом, богатым водородом. На поверхности карлика вновь образуется «взрывоопасный» слой, который взрывается, когда температура его становится достаточно высокой для начала термоядерной реакции.

Рис. 9.9. Вспышки Новой Т Компаса регулярно повторяются. Они наблюдались в 1890, 1902, 1920, 1944, 1966 годах.

Пока не удалось еще установить, является ли Новая Лебедя 1975 года двойной системой. Астрофизики поэтому пытаются выяснить, не может ли на поверхности одиночного белого карлика образоваться богатый водородом слой из межзвездного вещества. Но, возможно, эти попытки преждевременны, и нужно подождать, пока система не успокоится после вспышки, и тогда можно будет установить, что она является двойной, как и другие новые. Возможно также, что нам не удастся это установить вообще: ведь если мы смотрим на двойную в направлении, перпендикулярном плоскости ее орбиты, то не можем определить существование двойной системы ни по доплеровскому смещению (см. приложение А), ни по покрытию одной компоненты другой.

Тесные двойные системы, в которых вещество переходит с одной звезды на другую, открыли для нас ряд новых явлений. Кажущийся парадокс Алголя и загадка «разновозрастных» звезд системы Сириуса разрешены. Двойные звезды подарили нам феномен новых. И наконец, с двойными звездами связаны самые поразительные, видимо, из известных небесных тел двойные рентгеновские звезды.

Глава 10

Рентгеновские звезды

«Профессор Рентген выступал вчера вечером в Физическом обществе перед профессорами и генералами о своих икс-лучах под бурные овации… Многочисленные демонстрации прекрасно удались, лучи проходили сквозь бумагу, жесть, дерево, свинец, и, наконец, через руку Рентгена и профессора Кёлликера… Кёлликер предложил назвать новое явление „рентгеновыми лучами“ (бурные аплодисменты). Рентген благодарил в глубоком волнении. Кёлликер провозгласил здравицу в честь Рентгена. За 48 лет в Обществе не происходило столь эпохального заседания. Присутствовали также многочисленные студенты и прочая публика».

Fränkisches Volksblatt, 24 января 1896 года

В этой главе речь пойдет о звездах, которые в отличие от Солнца не излучают энергию, воспринимаемую глазом. Излучение этих звезд лежит в области, недоступной нашим органам чувств — об этом излучении люди ничего не знали до 1895 г., когда его случайно открыл Вильгельм Конрад Рентген в Вюрцбурге.

На первый взгляд может показаться удивительным, что в космосе возникает рентгеновское излучение. Приходя в медицинский рентгеновский кабинет, мы видим, какая сложная аппаратура требуется для получения рентгеновских лучей. Как же могут они возникать в космосе? В принципе, процесс один и тот же: в медицинской установке электроны, движущиеся с большой скоростью, резко тормозятся, и при этом возникает рентгеновское излучение. Когда в природе газ нагревается до миллионов градусов, электроны движутся с огромной скоростью. Когда такой электрон приближается к атомному ядру, он тормозится или отклоняется электрическим полем ядра, и возникает такое же излучение, как и в рентгеновской трубке.

Температура короны-газовой оболочки Солнца — составляет около двух миллионов градусов. Быстрые электроны здесь в результате столкновений с атомными ядрами то и дело тормозятся и снова ускоряются. При этом возникает рентгеновское излучение: солнечная корона посылает в пространство рентгеновское излучение, которое удается фотографировать со спутников. Так что даже такая безобидная звезда как Солнце доказывает нам, что во Вселенной может возникать рентгеновское излучение. Однако на рентгеновское излучение приходится лишь малая доля энергии излучения Солнца. Рентгеновские же звезды — это точечные небесные объекты, у которых основная часть излучения приходится на рентгеновскую область спектра. Рентгеновские звезды известны всего несколько лет, но то, что за это время удалось о них узнать, делает их удивительнейшими небесными телами.

Спутник «Ухуру»

Приходящее из космоса рентгеновское излучение не проходит через атмосферу нашей планеты — оно поглощается уже в самых верхних слоях воздуха. Поэтому рентгеновская астрономия возникла лишь тогда, когда удалось поднять телескопы с дистанционным управлением в верхние слои атмосферы с помощью аэростатов и ракет. Первые попытки были связаны с исследованиями рентгеновского излучения Солнца, с измерением рентгеновского излучения короны, но вскоре ученые стали охотиться и за рентгеновским излучением, приходящим по другим направлениям. Так началась новая глава в современной астрофизике.

Часто бывает трудно восстановить подлинную историю того, как был сделан тот или иной крупный шаг в современной науке. Время великих одиночек прошло, в особенности в экспериментальных науках. Ученый работает в группе, ездит по конференциям, получает информацию от других, перерабатывает ее в соответствии с собственными представлениями и приводит все в согласие с идеями своих соавторов. Когда же сообщение появляется в печати, речь идет только о результате, и читатель редко узнает, какой путь привел к этому результату.

История открытия рентгеновских звезд, если рассказывать ее во всех деталях, потребовала бы отдельной книги. Об этом, кстати, писал в своей докторской диссертации Ричард Хирш в Университете шт. Висконсин в США. Здесь я расскажу лишь о некоторых событиях, приведших к появлению рентгеновской астрономии, назову только некоторые имена из многочисленной армии физиков, астрономов и инженеров. Должен я упомянуть и одну фирму.

Почти во всех аэропортах мира ручную кладь пассажиров досматривают с помощью сложных установок, просвечивая ее мягким рентгеновским излучением. В Северной Америке используются в основном установки, которые выпускает фирма American Science and Engineering (сокращенно AS&E — американская наука и техника). Эту фирму основал в 1958 г. Мартин Аннис. Фирма состояла главным образом из ученых и работала в первые годы над ядерными проблемами в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, одним из крупнейших технических учебных заведений в США. Именно фирме AS&E мы обязаны появлением первых рентгеновских спутников. Ключевое, по всей видимости, событие произошло в сентябре 1959 г., когда молодой итальянский стипендиат в США встретил своего знаменитого соотечественника.

Рикардо Джиаккони приехал по стипендии Фулбрайта в США в 1956 г. Он был физиком, специалистом в области космического излучения. В 1954 г. он защитился по этой теме в Милане и в США работал над аналогичными проблемами в Университете шт. Индиана в Блумингтоне, а затем в Принстоне. Под впечатлением от высокого уровня науки в США, от тех безграничных возможностей, которые открыло использование спутников для космических исследований, он решил остаться в США. Кто-то из коллег рассказал ему о фирме AS&E, и он встретился с Мартином Аннисом, в то время президентом этой исследовательской фирмы, насчитывавшей уже 27 сотрудников. В сентябре 1959 г. Джиаккони был принят в AS&E. Вскоре Аннис представил его Бруно Росси. Физик Росси работал в Массачусетском технологическом институте; он переехал в США еще до второй мировой войны, сотрудничал со знаменитым Энрико Ферми, который построил в Чикаго первый ядерный реактор, а в то время, в дополнение к своей работе в Институте, возглавлял группу консультантов в фирме AS&E. Джиаккони позднее писал о своей первой встрече со знаменитым Росси: «В коротком разговоре у него дома Бруно Росси подчеркнул, что наряду с другими космическими исследованиями он считает особенно многообещающим изучение рентгеновского космического излучения. Хотя об этом ничего не было известно, он полагал, что поиски в этой совершенно новой области могут оказаться успешными. Я тут же отправился на работу, чтобы выяснить, что уже сделано в этом направлении». Сделано было немного. Герберт Фридман изучал рентгеновское излучение Солнца; никаких других космических рентгеновских источников найдено не было.

Джиаккони начал размышлять над возможными конструкциями рентгеновских приемников и вместе с другими думал над тем, какие методы можно применить для измерения космического рентгеновского излучения. В 1960 году в NASA дали зеленый свет на постройку первого рентгеновского телескопа. Джиаккони уже имел тогда свою небольшую группу, которая работала в AS&E в области космических исследований. В 1961 году в группе было уже 70 сотрудников; в 1962 году на 19 ракетах и 7 спутниках была установлена экспериментальная аппаратура группы, причем среди приборов был и приемник рентгеновского излучения. В конце концов было обнаружено рентгеновское излучение, приходящее из космоса и не из окрестности Солнца, а из глубин Млечного Пути, а возможно, и из более далеких областей. В июле 1962 года был открыт первый точечный источник в созвездии Скорпиона: первая рентгеновская звезда! Джиаккони писал: «Руководствуясь нашими результатами, Фридман и ученые из Военно-морской исследовательской лаборатории смогли в апреле 1963 года подтвердить наше открытие. В сентябре 1963 года я предложил NASA план дальнейшей работы. Я изложил свою концепцию нового медленно вращающегося спутника для рентгеновских наблюдений и 1,2-метрового телескопа. Уже тогда утвердилось прямое направление моих исследований. В том, что все это оказалось столь захватывающим и интересным, заслуга Природы».

12 декабря 1970 года спутник, построенный группой Джиаккони, был запущен NASA с побережья Кении. Это был День независимости государства, ставшего суверенным в 1963 году, и спутник назвали «Ухуру», что на языке суахили означает «свобода». На рис. 10.1 изображен спутник «Ухуру» в космосе, как его представил себе художник из NASA. За время своего существования спутник обнаружил свыше ста точечных рентгеновских источников. Эти результаты принесли Риккардо Джиаккони всеобщее признание в научных кругах и поставили много загадок перед астрофизиками Востока и Запада. Мы еще далеки от того, чтобы понять объекты, открытые спутником «Ухуру». Однако в последние годы о них многое удалось узнать.

Рис. 10.1. Рентгеновский спутник «Ухуру» в космосе (рисунок). Четыре солнечные панели вырабатывают электричество для питания аппаратуры. Спутник совершает один оборот вокруг своей оси за десять минут, и рентгеновский приемник просматривает небо «полосами». Результаты передаются по каналам связи на Землю.

Первый вопрос, который интересует астрономов в связи со вновь открытыми объектами, это далеко или близко они находятся. В большинстве случаев определить расстояние до небесного тела чрезвычайно трудно, но нередко достаточно сделать хотя бы приблизительные оценки. Можно было бы узнать, например, принадлежат ли эти объекты к нашему Млечному Пути или нет. Мы уже видели, как это делается, на примере пульсаров. Для этого нужно выяснить, распределены ли эти объекты на небе таким же образом, как и звезды нашей Галактики. Результаты подобной проверки иллюстрирует рис. 10.2. Здесь объекты, обнаруженные спутником «Ухуру», нанесены на градусную сетку, горизонтальная ось которой соответствует плоскости симметрии Млечного Пути. С первого взгляда ясно, что большинство рентгеновских источников располагается вблизи Млечного Пути. Там, где много звезд, оказывается много и рентгеновских источников. Если же смотреть в сторону от Млечного Пути, то рентгеновских источников немного, и они оказываются прежде всего там, где находятся удаленные галактики.

Рис. 10.2. Распределение на небе рентгеновских источников, открытых спутником «Ухуру». Как и на рис. 8.4, координатная сетка выбрана так, что вся небесная сфера спроецирована на плоский овал. Млечный Путь тянется вдоль горизонтальной оси; центр Галактики находится в центре координатной сетки. Большая часть рентгеновских источников оказывается вблизи Млечного Пути; к центру их плотность увеличивается. Отмечены некоторые источники, упоминаемые в тексте.

В дальнейшем я ограничусь источниками, находящимися в нашей Галактике. Мы примерно знаем, как далеко они находятся от нас: в среднем на таком же расстоянии, как и большинство звезд Млечного Пути, т. е. порядка тысяч световых лет. По энергии доходящего до нас излучения можно оценить действительную мощность этих источников. Оказывается, они излучают в рентгеновском диапазоне примерно в тысячу раз сильнее, чем наше Солнце на всех длинах волн.

Рентгеновская звезда в созвездии Геркулеса

Рассмотрим вначале источник, открытый спутником «Ухуру», в созвездии Геркулеса, которому присвоили название Геркулес Х-1. Излучение, принятое спутником от этого источника, представляет собой импульсы, следующие один за другим через 1,24 секунды (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Рентгеновские вспышки источника в созвездии Геркулеса, открытого спутником «Ухуру».

Интервал между соседними импульсами, однако, не строго постоянен. Он то уменьшается, то увеличивается, и период этого изменения составляет 1,70017 суток (рис. 10.4). Это может служить указанием, что рентгеновский источник движется то по направлению к нам, то от нас, как если бы он обращался вокруг другого небесного тела. Представим себе, что рентгеновский источник обращается вокруг центральной звезды с периодом около суток по круговой орбите и при этом каждую секунду испускает рентгеновский импульс. На рис. 10.5 показано, почему для наблюдателя импульсы будут приходить то чаще, то реже, в точности как это происходит с источником Геркулес Х-1. Итак, мы можем заключить, что источник обращается вокруг другой звезды с периодом 1,70017 суток.

Рис. 10.4. Схематическое изображение, показывающее изменение частоты импульсов источника Геркулес Х-1 с периодом 1,7 суток. Это изменение позволяет заключить, что источник является компонентой двойной системы.

Рис. 10.5. Вокруг звезды (красный кружок) по круговой орбите движется рентгеновский источник, посылающий импульсы каждую секунду. Удаленный наблюдатель В измеряет интервал между приходящими к нему импульсами. Вверху: путь, проходимый каждым из двух импульсов а и а', одинаков. Измеренный наблюдателем интервал равен одной секунде. В середине: пути, проходимые импульсами b и b', различны: вторая вспышка b' проходит больший путь. К наблюдателю импульсы приходят с интервалом больше одной секунды. Внизу: путь, проходимый второй вспышкой с', короче. К наблюдателю вспышки приходят с интервалом меньше одной секунды.

Читатель уже знает, куда мы клоним. Если одна звезда обращается на близком расстоянии вокруг другой, то они могут, если смотреть с Земли, затмевать друг друга мы будем иметь дело с такой же затменно-переменной, как Алголь или Дзета Возничего. Если наш рентгеновский источник обращается вокруг звезды, то может случиться, что в течение каждого периода, 1,70017 суток, он прячется за звездой, и тогда рентгеновское излучение должно пропадать.

Именно это и происходит с источником Геркулес Х-1! На рис. 10.6 представлены результаты, полученные спутником «Ухуру» за январь 1972 г.: каждые 1,70017 суток сигнал примерно на пять часов пропадает — источник в это время закрыт другой звездой!

Рис. 10.6. Поведение источника Геркулес Х-1 за достаточно долгое время. Точки показывают интенсивность рентгеновских импульсов, измеренную спутником «Ухуру». Вертикальные двойные линии отмечают период, равный 1,70017 суток. Видны пятичасовые интервалы, в течение которых вспышки исчезают, так как источник заходит за небесное тело, вокруг которого он обращается. Импульсы впервые регистрировались 9 января, а после 21 января исчезли. Это связано с 35-суточным циклом источника Геркулес Х-1, о котором идет речь в тексте.

Но дело обстоит еще сложнее! Рентгеновский источник излучает не все время. В течение примерно двенадцати суток он «включен» и посылает свои импульсы с интервалом 1,24 секунды с пятичасовым перерывом во время затмения. Затем он замолкает на 23 дня, а потом все начинается сначала.

Источник Геркулес Х-1 обнаружен

Что же находится в созвездии Геркулеса в том месте, откуда исходят рентгеновские импульсы? Спутник «Ухуру» мог определить положение источника лишь приблизительно. Как видно на рис. 10.7, в «область ошибки» попадало много звезд. Нет ли среди них такой, которая чем-либо выделяется среди остальных? Американский астроном Уильям Лиллер первым указал в этой области звезду, которая с 1936 г. значится в каталогах как переменная.

Рис. 10.7. Участок звездного неба, где был открыт источник Геркулес Х-1. Неприметная переменная звезда Хоффмейстера отмечена стрелкой.

И снова мы встречаемся с тем молодым лавочником, которому Гартвиг во время первой мировой войны позволил работать в Бамбергской обсерватории. В 1936 г. Гуно Хоффмейстер определил по снимкам звездного неба, что одна из звезд в области созвездия Геркулеса является переменной. Хоффмейстер давно уже защитил диссертацию, имел собственную обсерваторию, построенную частично на его личные средства, и вел систематический поиск переменных звезд. За свою жизнь он открыл их многие тысячи. Звезда в созвездии Геркулеса не представляла собой ничего особенного. Хоффмейстер не смог установить, подчиняется ли изменение яркости звезды простой закономерности, является ли оно периодическим. Когда он позднее следил за звездой еще несколько ночей, ему показалось, что изменения яркости вообще прекратились. В каталоги эта звезда вошла как HZ Геркулеса 1936, и никто не уделял ей особого внимания. Теперь же, когда эта звезда оказалась в окрестности вновь открытого рентгеновского источника, интерес к ней пробудился. Поскольку период обращения рентгеновского источника составлял 1,70017 суток, возникал вопрос, не изменяется ли яркость звезды Хоффмейстера с таким же периодом. Летом 1972 г. Джон и Нета Бакалл, проводя измерения в Тель-Авивской обсерватории, обнаружили, что период изменения яркости звезды Хоффмейстера имеет в точности такую величину.

Таким образом, видимая звезда и рентгеновский источник оказались как-то связанными между собой. Блеск звезды ослабевал, когда рентгеновские импульсы исчезали, т. е. когда источник находился позади звезды. Он усиливался, когда источник, если смотреть от нас, находился перед звездой (рис. 10.8). Причина такого изменения яркости понятна. Когда рентгеновский источник находится перед звездой, обращенная к нам сторона звезды нагревается из-за интенсивного рентгеновского облучения и становится более яркой. Когда же источник находится позади звезды, он нагревает невидимую для нас ее сторону. Если не считать этого эффекта, звезда является нормальной звездой главной последовательности с массой, равной двум солнечным.

Рис. 10.8. Блеск переменной звезды Хоффмейстера HZ Геркулеса периодически усиливался и ослаблялся (красная кривая). На схемах показаны взаимные положения звезды (серый кружок) и рентгеновского источника (черная точка), соответствующие максимуму и минимуму блеска. Когда для нас источник находится перед звездой, обращенная к нам ее сторона нагревается источником и становится ярче. Когда источник заходит за звезду, мы видим ее «нормальную», не разогретую источником сторону, и блеск ослабевает.

Почему же такой опытный наблюдатель как Хоффмейстер позднее счел звезду не переменной? На хранящихся в архивах старых снимках звездного неба можно увидеть, что изменение блеска звезды иногда прекращалось на целые годы. Что же, рентгеновский источник перестает нагревать ее? Может быть, в это время рентгеновский источник выключается? С того времени, как спутник «Ухуру» открыл рентгеновский источник, видимая HZ Геркулеса все время изменяет свой блеск в соответствии с периодом обращения. Но настанет, возможно, время, когда блеск ее снова на несколько лет станет постоянным. Тогда мы увидим, как будет вести себя рентгеновский источник.[25]

Рентгеновские звезды малы

Совершенно иначе ведет себя источник Лебедь Х-1 в созвездии Лебедя. Он посылает не периодические импульсы, а резко и непредсказуемо изменяет свою интенсивность.

Кроме того, интенсивность изменяется на протяжении месяцев. В том же участке неба находится переменный радиоисточник. Изменения его интенсивности в точности следуют изменениям рентгеновского источника: когда интенсивность рентгеновского источника меняется, меняется и интенсивность радиоизлучения; когда радиоисточник молчит, молчит и рентгеновский источник. Поэтому речь идет, скорее всего, об одном и том же объекте. В последние годы радиоастрономы разработали методы очень точного определения координат радиоисточников. Соответственно и положение рентгеновского источника известно настолько точно, что его удалось отождествить с видимой звездой. Эта звезда также входит в двойную систему. Конечно, увидеть каждую из двух звезд по отдельности невозможно — видна только одна звезда, но по доплеровскому смещению спектра (см. приложение А) можно узнать, что звезда обращается вокруг центра масс системы с периодом 5,6 суток, как и ее спутник, которым, по всей вероятности, является рентгеновская звезда!

Некоторые рентгеновские источники появляются на короткое время и потом исчезают. Источник Центавр Х-4 излучал очень недолго: он давал импульсы с интервалом 6,7 минуты и через несколько дней исчез.

Как же укладываются рентгеновские источники в наши представления о процессах, происходящих во Вселенной? Скорее всего, это звездоподобные объекты. Но как звезда может испускать рентгеновское излучение? На поверхности самых горячих из известных нам звезд температура слишком низка для возникновения рентгеновского излучения. Излучение же разреженной горячей короны, окружающей некоторые звезды, как и у солнечной короны, является очень слабым.

Рентгеновские импульсы очень коротки. У источника Геркулес Х-1 максимум достигается меньше чем за четверть секунды. Нерегулярные изменения интенсивности источника Лебедь Х-1 происходят за сотые доли секунды.

Как уже говорилось в отношении пульсаров, из скорости изменения интенсивности можно сделать вывод о размерах излучающего объекта. Это справедливо и для видимого света, и для радиоизлучения, и равным образом для рентгеновского излучения источников, открытых спутником «Ухуру».

Например, для источника Лебедь Х-1, у которого изменения интенсивности происходят за сотую долю секунды, рентгеновское излучение должно исходить из области, размеры которой не превышают отрезка, проходимого светом за 1/100 секунды. А это меньше 10 000 километров, меньше сотой доли солнечного радиуса. Речь идет, таким образом, об очень малых объектах, которые тем не менее излучают в тысячу раз больше энергии, чем Солнце. Об их малых размерах говорит и резкий характер затмений источника Геркулес Х-1: заходя за звезду, источник сразу пропадает.

Коль скоро рентгеновские источники так малы, можно предположить, что здесь как-то замешаны белые карлики или нейтронные звезды. Это предположение позволяет к тому же объяснить появление рентгеновского излучения. В начале главы мы уже говорили, что для возникновения рентгеновского излучения нужна температура в миллионы градусов. А когда вещество падает на белый карлик или тем более на нейтронную звезду, то оно из-за огромного ускорения силы тяжести попадает на поверхность звезды с такой скоростью, что при его торможении легко может развиваться температура в несколько миллионов градусов. Этим вполне естественно объясняется происхождение рентгеновского излучения. Но откуда берется вещество, которое с огромной скоростью «проливается» на поверхность белого карлика или нейтронной звезды? Связано ли это с тем, что большинство рентгеновских звезд, а возможно и все, входят в состав двойных систем? Если нормальная звезда и белый карлик (нейтронная звезда) образуют двойную систему и нормальная звезда, подобно Солнцу и многим другим звездам, выбрасывает в пространство вещество, то часть этого вещества будет захвачена гравитационным полем спутника. Захваченное вещество будет падать на поверхность спутника и при этом нагреваться до такой степени, что возникнет рентгеновское излучение (рис. 10.9).

Рис. 10.9. Возникновение рентгеновского излучения в двойной системе. От звезды (красный круг), идет звездный ветер, направление которого показано черными стрелками. Обращающаяся вокруг главной звезды нейтронная звезда (или белый карлик) захватывает часть вещества, и под действием гравитации оно с большой скоростью падает на ее поверхность. При ударе вещество нагревается до такой степени, что начинает испускать рентгеновские лучи.

История рентгеновского источника

Теперь мы можем составить примерную картину рентгеновского источника. Его история могла бы выглядеть следующим образом: две звезды различной массы долгое время обращаются одна относительно другой (рис. 10.10). Более массивная звезда первой израсходует свой водород и готова превратиться в красный гигант. Однако она сбрасывает вещество в пространство или отдает его своему спутнику (а) и превращается в белый карлик (б). Возникает звездная пара, состоящая из звезды главной последовательности и белого карлика. Когда же и звезда главной последовательности израсходует свой водород и раздуется в красный гигант, может случиться, что она заполнит свою полость Роша, и ее компактный спутник начнет отбирать ее массу. Вещество начнет падать на компактный объект и возникнет рентгеновское излучение. Для этого достаточно, чтобы за год на белый карлик «выпадала» одна стомиллионная доля солнечной массы. Можно представить себе и такой случай, когда с поверхности нормальной звезды исходит звездный ветер, который, сталкиваясь с белым карликом, рождает рентгеновское излучение (в).

Рис. 10.10 Два возможных пути эволюции двойной системы, приводящие к образованию рентгеновского источника. Слева: тесная двойная система образована двумя звездами главной последовательности с различной массой. Более массивная первой проявляет признаки истощения запасов водорода. Она могла бы превратиться в красный гигант, но звезда-спутник отбирает у нее такое количество вещества (а), что у нее остается лишь ядро-белый карлик (б) (ср. с рис. 9.6). Теперь, когда от ставшей более массивной правой звезды в ходе эволюции исходит звездный ветер, поток газа, падающий на белый карлик, создает рентгеновское излучение (красные волнистые стрелки) (в) (ср. с рис. 10.9). Справа: двойная система образована звездами различной массы. Более массивная стареет раньше и происходит взрыв сверхновой (г). Оболочка более массивной компоненты разлетается, а на ее месте остается нейтронная звезда (д); звезда, бывшая менее массивной компонентой, становится главной звездой двойной системы. В результате эволюции от главной звезды исходит звездный ветер, часть вещества падает на нейтронную звезду, и создается рентгеновское излучение (е); (ср. с рис. 10.9).

Это напоминает нам историю спутников Миры, о которой здесь уже говорилось. Белый карлик, который обращается вокруг Миры, собирает на себя вещество. Почему же он не является рентгеновским источником? Возможно, он слишком удален от звезды, и на него попадает лишь малая доля уходящего со звезды вещества-достаточно, чтобы излучать в видимой области, но слишком мало, чтобы мы наблюдали его как рентгеновский источник.

Но может случиться и так, что белые карлики вообще не связаны с рентгеновскими источниками. Другими словами, можно представить себе, что в двойной системе произошел взрыв сверхновой (рис. 10.10, г, д) и образовалась нейтронная звезда, как в Крабовидной туманности. Она обращается вокруг второй звезды, которая устояла во время взрыва своей спутницы. Если эта звезда отдает вещество нейтронной звезде-либо в виде звездного ветра, либо из-за того, что она заполнила свою полость Роша, — то газ падает на поверхность нейтронной звезды с еще большей энергией, чем в случае белого карлика; рентгеновское излучение при этом еще интенсивнее (ё).

Так кто же ответствен за излучение рентгеновских звезд: белые карлики или нейтронные звезды? Скоро мы познакомимся с причинами, по которым астрофизики сегодня все больше склоняются в пользу нейтронных звезд. Здесь мы вновь сталкиваемся с проблемой переноса вещества от одной звезды к другой. Предполагается, что вещество не сразу падает на звезду, а подобно тому, как показано на рис. 9.8, образует вращающийся диск, попадая на поверхность звезды (будь то нейтронная звезда или белый карлик) по спиральной траектории. Физические процессы, происходящие в этом диске аккреции, изучались многими учеными. Важный вклад в их понимание был сделан в Москве Я. Б. Зельдовичем (1914–1987) и его учениками.

Как возникают импульсы?

Итак, у нас есть правдоподобное объяснение того, как возникает рентгеновское излучение. Но мы еще не выяснили, почему оно пульсирует.

В случае пульсаров мы считаем, что пульсации обусловлены вращением нейтронной звезды. Подобно большинству небесных тел, наши компактные объекты обладают, скорее всего, магнитным полем, и, как и у Земли, магнитная ось может не совпадать с осью вращения. Движение космического вещества поперек силовых линий затруднено, поэтому на компактный объект вещество будет падать преимущественно в области его магнитных полюсов (рис. 10.11). Рентгеновское же излучение возникает там, куда падает вещество, т. е. вблизи полюсов. А распространяться оно будет в стороны, поскольку в направлении магнитной оси его поглощает падающее вещество. Если компактный объект вращается, то для удаленного наблюдателя рентгеновское излучение будет пропадать всякий раз, когда к нему обращен тот или другой магнитный полюс. В остальное время рентгеновское излучение появляется вновь (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Происхождение рентгеновских вспышек. Когда вещество падает на компактный объект, возникает рентгеновское излучение (вверху). Если звезда обладает магнитным полем, подобным по конфигурации земному, то вещество падает на звезду (черный кружок) в основном в области полюсов. Потоки падающего на полюса вещества образуют непроницаемые для рентгеновского излучения «пробки», и излучение уходит от звезды лишь вбок от полюсов (красные волнистые стрелки). Если весь объект вращается, то может оказаться, что удаленный наблюдатель за каждый оборот объекта принимает два коротких импульса рентгеновского излучения (вторая и четвертая фазы в нижней части рисунка). Для простоты ось вращения показана перпендикулярной к магнитной оси.

Изменение магнитного поля нейтронной звезды

Еще говоря о пульсарах, мы пришли к выводу, что за их радиоимпульсы ответственно магнитное поле. Теперь же нам приходится привлечь магнитное поле для объяснения рентгеновских звезд. Откуда же появляется у нейтронной звезды магнитное поле?

Магнитные поля во Вселенной встречаются почти повсеместно. Солнце в целом обладает магнитным полем, подобным земному, но вдвое более сильным. В области солнечных пятен магнитные поля в тысячу раз сильнее земного. У других звезд также можно обнаружить магнитные поля. Мы можем с полной уверенностью утверждать, что многие звезды обладают магнитным полем.

Магнитные поля и космическое вещество взаимосвязаны. Когда тело уплотняется, усиливается и его магнитное поле. И когда из части звезды образуется белый карлик, из-за высокого сжатия изначально слабое магнитное поле усиливается в десятки тысяч раз. Так можно объяснить мощные магнитные поля белых карликов. Но когда звездное вещество достигает плотности нейтронной звезды, магнитное поле может стать в сто миллиардов раз сильнее — настолько велико здесь сжатие. Вот почему у нейтронных звезд следует ожидать наличия чрезвычайно сильных магнитных полей. И такие поля были обнаружены!

2 мая 1976 года над городом Палестайн в США поднялся аэростат с научными измерительными приборами, разработанными учеными из Института космической физики имени Макса Планка в Гархинге близ Мюнхена и из Тюбингенского университета.

Группа, руководимая Иоахимом Трюмпером, имела уже некоторый опыт в рентгеновских исследованиях, и среди прочих задач в программу входила проверка нового рентгеновского детектора. Новый приемник работал в области более высоких энергий рентгеновского излучения, чем детекторы, установленные на спутнике «Ухуру». Как и в случае света, у рентгеновского излучения энергия кванта тем выше, чем короче длина волны; энергию рентгеновских фотонов измеряют обычно в килоэлектронвольтах (кэВ). Рентгеновские приемники на спутнике «Ухуру» работали в области от 2 до 10 кэВ, а новый приемник был предназначен для регистрации квантов с энергией выше 30 кэВ. Во время запуска весной 1976 г. наблюдался источник Геркулес Х-1 и измерялась интенсивность высокоэнергетического излучения.

Чем совершеннее экспериментальная техника, тем слабее непосредственный контакт наблюдателя с получаемыми им экспериментальными данными. В 1936 г. Хоффмейстер мог просто посмотреть в телескоп, оценить яркость HZ Геркулеса и, сравнив ее со своими прежними наблюдениями, определить, увеличилась ли яркость звезды по сравнению с предыдущим наблюдением. Сегодня результаты измерений записываются компьютером на магнитную ленту; затем необходимо составить программу, в соответствии с которой компьютер будет считывать результаты с ленты и производить расчеты.

Неудивительно поэтому, что результаты майских наблюдений были получены лишь осенью. Выяснилось, что интенсивность излучения, в целом ослабевающая с увеличением энергии рентгеновских квантов, имеет заметный пик примерно на 58 кэВ (рис. 10.12). Вероятно, ему не придали бы особого значения, не вспомни Трюмпер о своих более ранних работах, в которых он пытался объяснить излучение пульсара в Крабовидной туманности. Поэтому он заинтересовался этим пиком.

Рис. 10.12. Рентгеновское излучение источника Геркулес Х-1 в области высоких энергий. Можно было бы ожидать, что с увеличением энергии рентгеновских квантов интенсивность источника падает. Однако при 58 кэВ наблюдается локальный пик интенсивности (отмеченный стрелкой). Измерение интенсивности при столь больших энергиях квантов сопряжено с большими трудностями, поэтому истинное распределение интенсивности может отличаться от показанного на рисунке.

Пик на кривой интенсивности рентгеновского излучения источника Геркулес Х-1 означает, что источник излучает относительно много рентгеновских фотонов с энергией 58 кэВ. Мы знаем, что атомы излучают и поглощают энергию на строго определенных длинах волн, т. е. излучают и поглощают фотоны со строго определенной энергией. Возьмем, например, атом водорода. Вокруг положительно заряженного ядра обращается один электрон (рис. 10.13). Согласно квантовой теории, этот электрон может занимать строго определенные, поддающиеся точному расчету орбиты (уровни). Когда на атом попадает свет, он поглощается лишь в том случае, когда квант света имеет точно такую энергию, какая необходима для перехода электрона с нижнего уровня на один из более высоких. Если после этого оставить атом в покое, то электрон через какое-то время вернется на низший уровень. При этом избыточная энергия будет освобождена в виде световых фотонов, которые обладают вполне определенными энергиями, соответствующими переходу электрона с одного уровня на другой.

Рис. 10.13. Вверху: излучение (красная волнистая стрелка) возникает в атоме, когда электрон (серый кружок) переходит с внешней орбиты на более близкую к ядру атома (красный кружок). Излучение имеет вполне определенную для данного атома и данного перехода энергию. Внизу: в сильном магнитном поле (вертикальные стрелки) электроны могут вращаться по круговым орбитам, подобным орбитам в атоме. Здесь при переходе с внешней орбиты на внутреннюю также будет излучаться энергия, зависящая от напряженности магнитного поля. Считают, что показанный на рис. 10.12 пик интенсивности рентгеновского излучения источника Геркулес Х-1 связан именно с таким переходом электронов в магнитном поле нейтронной звезды.

У источника Геркулес Х-1 заметная часть излучения приходится на вполне определенную энергию 58 кэВ. Однако ни один из нормально встречающихся в природе атомов не излучает фотонов с такой энергией. Трюмпер попытался объяснить это излучение механизмом, который впервые предложил советский физик Лев Ландау (диамагнетизм Ландау).

Оъяснение основано на том, что в магнитном поле траектория электрона искривляется настолько, что электрон начинает двигаться по круговой орбите. Если магнитное поле очень сильное, то радиус орбиты мал; в сверхсильных магнитных полях круговые траектории электронов могут стать сравнимыми с атомными орбитами. Но в этом случае в силу вступают законы квантовой механики, согласно которым «разрешены» лишь строго определенные орбиты. Когда электрон переходит с внешней орбиты на внутреннюю, он испускает квант излучения, энергия которого определяется напряженностью магнитного поля. Поэтому, считали Трюмпер и его коллеги, и появляется пик на кривой излучения источника Геркулес Х-1. Но если это так, то магнитное поле должно быть более чем в сто миллиардов раз сильнее земного! Силы, возникающие в таком поле, настолько велики, что гравитация не смогла бы удержать белый карлик в равновесии: магнитные поля разорвали бы звезду. Поэтому следует заключить, что Геркулес Х-1 является нейтронной звездой.

Итак, в двойной системе, к которой принадлежит Геркулес Х-1, за рентгеновское излучение ответственна нейтронная звезда. Когда-то в этой системе произошел взрыв сверхновой, и первоначально более массивная компонента оставила после себя нейтронную звезду. Но это было очень давно: образовавшееся при взрыве облако давно рассеялось. Сегодня вещество со звезды, которая была менее массивной компонентой и пока еще находится близко к главной последовательности, падает на нейтронную звезду. Когда оно, направляемое магнитными полями, падает в области магнитных полюсов, возникает рентгеновское излучение. При этом излучение, создаваемое при переходе с одной орбиты на другую теми электронами, которые в магнитном поле закружились по крошечным круговым траекториям, имеет пик на 58 кэВ.

После «Ухуру» были запущены другие рентгеновские спутники, проводилось множество экспериментов на аэростатах. Одна из сложностей в рентгеновской астрономии состоит в том, что до сих пор не удалось создать рентгеновскую фотографическую камеру. Рентгеновские лучи невозможно фокусировать с помощью линз. Зеркала тоже не отражают рентгеновские лучи под большими углами: для использования зеркала нужно, чтобы рентгеновские лучи приходили под очень малым углом к поверхности зеркала. Пользуясь этим свойством, физик Ганс Вольтер (1911–1978), работавший тогда в Киле, придумал в 1952 году способ рентгеновской фотографии. С ноября 1978 года на орбите работает запущенная NASA Эйнштейновская обсерватория; на ней установлен рентгеновский телескоп диаметром 57 см. Предполагают, что имеется до миллиона рентгеновских источников, которые могут быть зарегистрированы этим прибором. Первый немецкий «телескоп Вольтера» диаметром 32 см был успешно запущен на ракете в феврале 1979 года. В ФРГ запланировано изготовление 80-сантиметрового рентгеновского телескопа.

Рентгеновские ливни

В последние годы обнаружен еще один тип рентгеновских источников, которые чаще всего, по-видимому, встречаются в шаровых скоплениях. Эти источники посылают рентгеновские импульсы в виде «ливней», каждый из которых, продолжаясь порой всего несколько секунд, обладает такой же энергией, какую наше Солнце излучает за целую неделю. Эти ливни не обнаруживают регулярности источника Геркулес Х-1; вращающееся тело, задающее ритм импульсов, здесь, по-видимому, отсутствует (рис. 10.14). Тем не менее в приходе импульсов наблюдается некая закономерность. Из шарового скопления в созвездии Скорпиона мы принимаем в рентгеновских ливнях импульсы с периодичностью около 40 секунд, которая, однако, выдерживается не слишком строго: после сильного импульса «молчание» длится дольше, чем после слабого. Вероятно, и у этих источников вещество падает на компактный объект, однако механизм, благодаря которому высвобождение энергии происходит не постоянно, а в виде ливней, отличается от механизма, обеспечивающего пульсацию источника Геркулес Х-1.

Рис. 10. 14. Сигналы источника МХВ 1730-335 исходят из шарового скопления, на которое обратили внимание после открытия здесь рентгеновского источника. Импульсы идут сериями по 10–20 отдельных вспышек. Интенсивность вспышек неодинаковая. После особенно сильных выбросов источнику требуется передышка, прежде чем он начнет новую серию импульсов.

Шаровые скопления являются старыми, как мы уже знаем из гл. 2. В них давно уже не рождаются звезды. Было очень заманчиво считать эти скопления безжизненными образованиями. Однако рентгеновские ливни, которые исходят из них, показывают, что в них еще продолжается жизнь.

Во Вселенной может существовать множество нейтронных звезд, о которых мы ничего не знаем. Вероятно, все они являются останками сверхновых, но не исключено, что в природе существуют и иные, неизвестные еще нам пути их возникновения. Нам и не удалось бы ничего узнать о них, если бы на них не падало вещество с их звездных спутников. Только тогда они проявляют себя, посылая к нам рентгеновское излучение.

В 1960 году во время одной из лекций я попросил своих слушателей представить, что существует прибор, который преобразует все приходящее из Вселенной к нам излучение в слышимый звук. Наряду с ровным шумом звезд и треском солнечных помех мы бы услышали шум известных тогда радиосточников, нарастающий и затихающий сообразно с восходом и заходом этих источников на горизонте при вращении Земли. Тогда мы знали лишь о довольно длинноволновом космическом излучении. Сегодня, двадцать лет спустя, мне приходится внести поправки в эту картину. Кроме известных тогда источников, во «вселенский хор» вольются и новые голоса: на фоне ровного шума мы услышим тиканье пульсаров, низкое гудение пульсара в Крабовидной туманности, импульсы которого наше ухо не могло бы уже разделить, пулеметные очереди рентгеновских источников — например, источника МХВ 1730-335, который из шарового скопления посылает к нам мощные импульсы, причем после десятка импульсов с интервалом 10–20 секунд следует перерыв на несколько минут, а потом вновь идет серия импульсов. «Шум Вселенной» — это не только ровное шипение: это и щелчки, и барабанная дробь, и жужжание, и треск. И виновницами всего этого трезвона являются, скорее всего, нейтронные звезды.

Говорят ли нам что-нибудь пульсары и рентгеновские источники о конечных стадиях эволюции звезд? Уверены ли мы, что все звезды под конец превращаются в нейтронные звезды или белые карлики? Важное свойство этих двух типов звезд позволяет думать, что существует еще и третья возможность.

Глава 11

Конец звезды

«Бархатно-черный круглый предмет неподвижно и свободно парил в пространстве. Предмет, собственно, не был похож на шар, а производил скорее впечатление зияющей дыры. И был он не чем иным, как дырой… Тут же поднялся ветер, который становился все сильнее и сильнее, поскольку воздух из комнаты засасывался в шар. Обрывки бумаги, перчатки, дамские вуали все летело туда. Да, и когда один из полицейских ударил зловещую дыру саблей, клинок исчез, будто расплавившись».

Густав Мейринк, «Черный шар», 1913

Пульсары и рентгеновские источники подтверждают, что в природе существуют нейтронные звезды. Одна из таких звезд осталась в Крабовидной туманности после взрыва Сверхновой. Но что привело к этому взрыву в 1054 году? Рано или поздно взрыв Сверхновой должен произойти и в нашей Галактике, так сказать, у нас перед глазами.[26] Тогда бы мы узнали, что же там взрывается; на старых снимках неба мы нашли бы ту звезду, на месте которой в облаке останков крутится, как волчок, крошечная нейтронная звезда.

Пока что, однако, нам приходится лишь строить догадки. Изучая компьютерные модели звезд на поздней стадии эволюции, мы можем попытаться ответить на вопрос, каким образом звезда приходит к катастрофе.

«Железная катастрофа» массивных звезд

У массивных звезд, масса которых превышает солнечную больше чем в десять раз, эволюция протекает очень быстро. Водород в них расходуется уже через несколько миллионов лет. Тогда начинает гореть гелий, превращаясь в углерод, а вскоре и атомы углерода начинают превращаться в атомы с более высокими атомными номерами. Во всех этих ядерных реакциях высвобождается энергия, однако ядерные процессы становятся все менее эффективными. Чтобы излучение звезды поддерживалось на одном и том же уровне, реакции должны протекать все быстрее и быстрее. Быстро сменяя друг друга, образуются все более тяжелые атомы. Может ли так продолжаться бесконечно?

Оказывается, в природе превращения элементов заканчиваются на железе. Мы уже видели, что чем тяжелее элемент, получающийся в результате термоядерной реакции, тем ниже выделяемая энергия. Когда превращения доходят до железа, ядерный реактор звезды останавливается. При слиянии ядра железа с ядрами других элементов, имеющихся в звезде, энергия уже не выделяется: наоборот, для этого требуется дополнительная энергия. И напротив, чтобы расколоть ядро железа, требуется затратить энергию.

Причина этого заключается в одном из свойств атомных ядер. Ядра тяжелых элементов (например, урана) при делении выделяют энергию, а в результате деления появляются ядра, масса которых близка к атомной массе более легкого железа. При соединении легких элементов выделяется энергия, и в результате получаются ядра, масса которых ближе к массе тяжелого железа. Только из ядер железа нельзя получить энергию ни путем деления, ни путем синтеза.

Что же произойдет, когда в нашей массивной звезде процессы термоядерного синтеза зайдут так далеко, что в центре звезды образуется сферическая область, состоящая целиком из газообразного железа (рис. 11.1, а)? Ядра железа могут захватывать электроны из окружающего газа. При этом центральная область звезды сокращается в объеме. Дело в том, что равновесие здесь поддерживается противодействием силы тяжести и газового давления. Газовое давление обусловлено в основном электронами. Когда электроны поглощаются атомными ядрами, сила тяжести берет верх. В конце концов центральная область звезды, состоящая из газообразного железа, «схлопывается». Считают, что этот процесс начинается, когда масса центрального железного ядра звезды достигает 1,5 солнечной. Сила тяжести так плотно прижимает друг к другу все составные «кирпичики» атомных ядер, что в конце концов все протоны и электроны объединяются в нейтроны, и все вещество в центре звезды оказывается состоящим только из нейтронов. Плотное газообразное железное ядро звезды превращается в нейтронную звезду. При этом превращении выделяется невообразимое количество энергии, которое, по всей видимости, разметает в пространство внешнюю оболочку звезды. Звезда взрывается, а нейтронное ядро остается в облаке разлетающихся с огромной скоростью останков. Жизнь звезды завершилась взрывом сверхновой.

Рис. 11.1. Возможные стадии, предшествующие взрыву сверхновой. Слева: звезда с массой больше десяти солнечных. В ее недрах из водорода, который до сих пор образует ее внешнюю оболочку, образовались более тяжелые элементы, располагающиеся концентрическими слоями вокруг ядра, состоящего из плотного газообразного железа. Центральная область подобной звезды, находящейся на поздней стадии эволюции, неустойчива; возможен коллапс. При этом высвобождается такое количество энергии, что вся внешняя оболочка с большой скоростью разлетается в пространство. Справа: в недрах звезды образовалось углеродное ядро, которое аналогично белому карлику. Масса ядра-белого карлика — возрастает, поскольку на его поверхности гелий превращается в углерод. Когда масса белого карлика достигает предела Чандрасекара, происходит коллапс и оболочка разлетается. Оба рисунка схематичны, масштаб не соблюден.

В Чикаго и Ливерморе (шт. Калифорния) в США, а также и у нас в Мюнхене этот процесс пытались смоделировать на компьютере. Решение здесь оказывается гораздо более сложным, чем в случае обычных медленных этапов эволюции. Оно, однако, и чрезвычайно поучительно, так как можно предположить, что в ядерных реакциях, происходящих при взрыве, образуются многие химические элементы из встречающихся в природе. Вероятно даже, что все элементы тяжелее гелия образуются внутри звезды либо в ходе спокойного горения, либо в короткий миг взрыва сверхновой.

Все эти рассуждения относятся к самым массивным звездам. Звезды с массами меньше десяти солнечных в своей эволюции не достигают фазы образования железного ядра: они еще раньше сталкиваются с проблемами, из-за которых в конечном счете, вероятно, происходит взрыв сверхновой. Причина здесь состоит в том, что внутри звезды, как мы видели в гл. 7, образуется белый карлик. Белые карлики обладают одним весьма замечательным свойством, которое связано с их внутренним равновесием.

Мысленный эксперимент с белым карликом

Своим существованием мы обязаны равновесию между силой тяжести и силой давления в Солнце и в Земле. В общем и целом это равновесие надежно. Если в мысленном эксперименте мы чуть-чуть сожмем Солнце, то хотя из-за увеличения плотности сила тяжести возрастет, давление внутри Солнца будет при сжатии возрастать быстрее, чем сила тяжести. Поэтому Солнце будет стремиться вернуться к своему прежнему состоянию. Аналогично, если с помощью какой-то внешней силы попытаться заставить Солнце увеличить свой объем, то сила тяжести немного уменьшится, так как при увеличении расстояния между материальными частицами они слабее притягивают друг друга. Но давление будет уменьшаться еще быстрее, чем сила тяжести, и поэтому Солнце опять будет стремиться к своему прежнему состоянию. Мы уже сказали, что на это равновесие можно положиться; ученые называют равновесие такого рода устойчивым. Не все звезды, однако, находятся в состоянии устойчивого равновесия. Белые карлики, например, находятся в равновесии, но это равновесие легко может быть нарушено.

Задолго до того, как люди постигли основные законы эволюции звезд, за много лет до того, как были поняты ядерные реакции, в результате которых водород внутри звезд превращается в гелий, и задолго до того, как были сделаны первые попытки компьютерного моделирования звезд, 24-летний индиец в Кембридже решил уравнения, описывающие образование белого карлика. Это был Субраманьян Чандрасекар, родившийся в Лахоре в 1910 г. Еще студентом он выделялся среди своих сверстников в Мадрасском университете. Тогда его доклад победил на одном из конкурсов, и в качестве приза Чандрасекар получил книгу Эддингтона о внутреннем строении звезд. Похоже, что эта книга определила его интересы на всю дальнейшую жизнь: по сей день он вносит важный вклад в различные области астрофизики. Именно он в своей теории белых карликов показал, что они не могут содержать сколь угодно большого количества вещества.[27] Поясним это с помощью одного мысленного эксперимента.

Представим себе, что мы выросли вдруг до таких гигантских размеров, что можем ставить опыты над звездами. Для нас не составляет труда взять часть массы у одной звезды и перенести на другую. Перенесемся поближе к системе Сириуса, где вокруг звезды Сириус А обращается белый карлик Сириус В. Сириус В имеет массу, близкую к солнечной, однако его радиус составляет всего 0,007 радиуса Солнца. Пусть у нас имеется большой запас вещества, из которого состоят белые карлики, и мы понемногу подбрасываем это вещество на поверхность Сириуса В, увеличивая его массу. Мы увидим, что по мере увеличения массы белого карлика его радиус уменьшается; когда его масса достигнет 1,33 солнечных, радиус уменьшится до 0,004 радиуса Солнца. Если и дальше осторожно прибавлять вещество, радиус белого карлика будет уменьшаться все быстрее и быстрее. Звезда еще держится, но с увеличением силы тяжести дело становится все хуже. При массе, равной 1,4 солнечных, гравитация, наконец, берет верх, и звезда больше не находится в равновесии. Эта критическая масса называется пределом Чандрасекара. При превышении этого предела звезда за несколько секунд обрушивается внутрь. Плотность газа, состоящего главным образом из электронов и ядер гелия, резко возрастает, и начинается уже знакомый нам процесс: электроны, входя в атомное ядро, соединяются с протонами. Образуются нейтроны, атомные ядра распадаются. Вещество, обрушивающееся к центру звезды, теперь состоит в основном из нейтронов, несущихся с огромной скоростью к центру. Только когда радиус звезды сократится примерно до 10 километров, давление нейтронного газа увеличится до такой степени, что сможет противостоять силе тяжести. Уменьшение объема прекратится, падение вещества к центру остановится. Кинетическая энергия перейдет в излучение, и тело придет в равновесие. Состоящее главным образом из нейтронов, оно представляет собой нейтронную звезду.[28]

Таков наш мысленный эксперимент. Мы искусственно добавляли вещество на белый карлик, но не следует считать такое предположение совсем уж неправдоподобным. Как известно, белые карлики образуются внутри красных гигантов. Они состоят из вещества, для которого термоядерное горение водорода, а вероятно, и гелия, позади. На поверхности же еще происходит превращение водорода в гелий. Во внешних слоях непрогоревшего вещества идет термоядерная реакция с водородом, а возможно, и с гелием, и масса белого карлика ядра красного гиганта — возрастает. Как и в нашем мысленном эксперименте, белый карлик накапливает все больше и больше вещества (рис. 11.1, б). Что же произойдет, когда его масса превысит 1,4 солнечных, предел Чандрасекара, когда начнется гравитационный коллапс: он сколлапсирует и превратится из белого карлика в нейтронную звезду?

Некоторые ученые считают, что до возникновения нейтронной звезды дело здесь не доходит, поскольку прежде, чем это случится, происходит углеродный взрыв. Об этом известно пока что очень мало. Пусть белый карлик, являющийся центральным ядром красного гиганта, состоит в основном из углерода. Полагают, что еще до начала гравитационного коллапса углерод вступает в термоядерную реакцию и взрыв разносит звезду вдребезги — нейтронная звезда не образуется. У таких сверхновых в облаке останков мы не обнаруживаем нейтронной звезды: оттуда не исходят сигналы пульсаров. И действительно, пульсары не обнаружены ни на месте Сверхновой Тихо Браге, ни на месте Сверхновой Кеплера, хотя обе туманности моложе Крабовидной. Орбитальная Эйнштейновская обсерватория обнаружила в созвездии Кассиопеи останки Сверхновой, которая триста лет оставалась незамеченной, скрытая от земных наблюдателей облаком звездной пыли. По-видимому, здесь нейтронная звезда также отсутствует. Не произошло ли здесь полного разрушения звезды в результате углеродного взрыва?

Все ли менее массивные звезды заканчивают свое существование углеродным взрывом? Сегодня это никому точно не известно. Не исключено также, что после начала термоядерной реакции углерод горит относительно спокойно, без взрыва. Тогда белый карлик в центре красного гиганта набирает массу, и, как в нашем мысленном эксперименте, коллапсирует в нейтронную звезду. Высвобождающаяся энергия, как и при «железной катастрофе», излучается в пространство, преподнося нам величественное зрелище взрыва сверхновой. Возможно, именно это произошло в случае взрыва Сверхновой 1054 года, когда возникла Крабовидная туманность. История здесь могла быть такой.

Жила-была звезда с массой, равной пяти солнечным. В своих глубинах она сжигала водород, а когда ядерное горючее кончилось, звезда превратилась в красный гигант. В центре звезды началось горение гелия, а когда гелий выгорел, образовалось углеродное ядро. Центральная часть звезды стала представлять собой углеродное ядро, окруженное гелиевой оболочкой, и плотность вещества была здесь так же велика, как в белом карлике. На поверхности гелиевой оболочки продолжалось превращение водорода в гелий, а на границе между гелием и углеродом гелий превращался в углерод. Масса этого ядра, которое представляет собой по сути белый карлик, все время возрастала, и когда она в 1054 году достигла 1,4 солнечных масс, произошел гравитационный коллапс, который не смогло предотвратить и горение углерода. При этом высвободилось огромное количество энергии, которое разметало в пространство внешнюю оболочку звезды. Сегодня мы видим ее как Крабовидную туманность. Белый же карлик меньше чем за минуту превратился в нейтронную звезду, которая до наших дней посылает радиосигналы, принимаемые нами от пульсара в Крабовидной туманности.

Какой же из трех вариантов в действительности отвечает взрывам сверхновых? «Железная катастрофа», когда образовавшееся внутри звезды железное ядро обрушивается под действием гравитационных сил? Белый карлик, который, как раковая опухоль, пожирает вещество звезды, пока масса его не достигнет критического значения, при котором происходит коллапс? Или же углеродный взрыв, разносящий звезду вдребезги еще до того, как белый карлик успеет превратиться в нейтронную звезду?

В других галактиках наблюдается два типа сверхновых.

Они различаются интенсивностью световой вспышки. Вероятно, взрыв сверхновой может отвечать любому из перечисленных выше механизмов. У массивных звезд образуется железное ядро, звезды с массой от 10 до 1,4 солнечной погибают после образования в их центре белых карликов-то ли в результате углеродного взрыва, то ли из-за возникновения нейтронной звезды.

Только звезды с массой меньше 1,4 солнечной, а также те, которые вовремя успевают избавиться от лишней массы путем образования планетарных туманностей или за счет звездного ветра, тихо заканчивают свое существование. Они превращаются в белые карлики, в которых уже не происходит никаких ядерных реакций и которые находятся в устойчивом равновесии.

Мысленный эксперимент с нейтронной звездой

У нейтронных звезд есть свои проблемы с равновесием. Проведем еще один мысленный эксперимент. Рассмотрим пульсар в Крабовидной туманности, который, по всей вероятности, представляет собой нейтронную звезду с массой, равной солнечной. Представим себе, что в своем космическом эксперименте мы можем увеличить массу нейтронной звезды, понемногу добавляя нейтронное вещество на ее поверхность. И снова оказывается, что с увеличением массы радиус звезды уменьшается: признак того, что сила тяжести все больше берет верх над давлением. Когда растущая масса нейтронной звезды достигнет примерно двух солнечных, произойдет гравитационный коллапс, длящийся доли секунды. Может ли что-то остановить его? Может ли материя перейти в какую-то новую форму вещества, в которой давление, нарастая, будет противостоять силе тяжести, как это было в случае белых карликов, где после превращения вещества звезды в нейтронную материю вновь смогло установиться равновесие? Физики сегодня склонны считать, что ничто не может остановить гравитационный коллапс нейтронной звезды.

Сила тяжести возрастает, и скоро давление перестает играть сколько-нибудь существенную роль: нейтронная звезда сокращается до ничтожно малых размеров. В окрестности компактного объекта с огромной массой гравитация чрезвычайно сильна; то, что здесь происходит, описывается в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В частности, общая теория относительности утверждает, что гравитация влияет на распространение света. Гравитационное поле Солнца действует на лучи звезд, доходящие до земного наблюдателя, подобно линзе (рис. 11.2). Расстояние между звездами, оказавшимися по разные стороны солнечного диска, кажется чуть-чуть увеличенным. Этот эффект чрезвычайно мал; он находится почти на пределе доступной нам точности измерений. Однако его удается наблюдать во время полного солнечного затмения, когда Луна закрывает собой солнечный диск, и звезды появляются на небе днем. В те несколько минут, которые длится это небесное представление, можно измерить искривление световых лучей, проходящих вблизи Солнца. Оказалось, что это искривление соответствует предсказаниям общей теории относительности.

Рис. 11.2. Отклонение световых лучей вблизи Солнца. Две удаленные неподвижные звезды посылают свет во всех направлениях. Их лучи А и В, проходящие вблизи Солнца, показаны сплошными линиями. В гравитационном поле Солнца лучи искривляются. Наблюдателю, находящемуся на Земле, свет видится приходящим по направлениям, показанным штриховыми линиями: ему кажется, что звезды отстоят дальше одна от другой, чем в тот период, когда они наблюдаются на небе вдали от Солнца. Солнце, таким образом, действует на лучи подобно линзе, которая перемещается в течение года по небу и «увеличивает» находящийся в ее окрестности участок неба (тот, конечно, который не закрыт самим солнечным диском). Этот эффект очень мал и может быть измерен только во время полного солнечного затмения.

Эффект искривления световых лучей в поле силы тяжести играет очень важную роль, когда вещество нашей нейтронной звезды, ничем более не удерживаемое, обрушивается к ее центру. Попытаемся представить себе этот процесс в замедленном виде. Сначала нейтронная звезда находится еще в равновесии. На ее поверхности искривление световых лучей становится уже заметным, так как сила тяжести здесь очень велика. Исходящий с поверхности луч света движется по искривленной траектории, пока не уходит от поверхности на достаточно большое расстояние, где гравитация не так сильна, и дальше уходит по прямой (рис. 11.3, а).

Рис. 11.3. Отклонение света вблизи коллапсирующей нейтронной звезды. Вблизи поверхности звезды траектория светового луча искривляется (а). Чем меньше радиус звезды, тем сильнее искривление (б), так что свет может делать несколько витков вокруг звезды (в), прежде чем уйти в пространство. Радиус звезды стал меньше радиуса Шварцшильда (г). Световой луч, идущий от поверхности, искривляется так сильно, что возвращается обратно к звезде. На рисунке (г) масштаб увеличен по отношению к (в) примерно вдвое (слева), и для наглядности на правом рисунке он увеличен еще в несколько раз. Штриховой линией показан радиус Шварцшильда.

Когда же масса нейтронной звезды увеличивается и начинается коллапс, гравитационное поле у поверхности еще более возрастает. Искривление световых лучей становится столь сильным, что луч света, отклоняемый в «горизонтальном» направлении, несколько раз огибает звезду, прежде чем уйти в пространство (рис. 11.3, б и в). Свету все труднее преодолеть притяжение звезды, и когда в ходе коллапса звезда, которая, будем считать, имеет теперь массу, равную трем солнечным, достигнет радиуса 8,85 километра, свет уже не сможет уйти от нее в пространство. Уходящий от поверхности световой луч искривляется в поле силы тяжести так сильно, что возвращается обратно на поверхность (рис. 11.3, г). Кванты света-фотоны-излучаемые телом, возвращаются обратно, как брошенные вверх на Земле камни. Никакое излучение не прорывается во внешний мир, чтобы донести весть о печальной судьбе нашей звезды. Подобный объект получил название черной дыры.

Черные дыры

Как мы видели, тело, подвергающееся достаточно значительному сжатию, через какое-то время перестает отпускать от себя световые лучи. Радиус, при котором это начинает происходить, впервые рассчитал Карл Шварцшильд. По всей видимости, его можно считать величайшим астрофизиком первой половины двадцатого столетия. Ему принадлежат основополагающие вклады во многие разделы астрофизики. После того как Эйнштейн сформулировал свои уравнения общей теории относительности, Карл Шварцшильд незадолго до своей смерти получил для них первые точные решения, описывающие, в частности, и свойства черных дыр. Шварцшильд был директором обсерваторий в Гёттингене и Потсдаме; в 1916 г. в возрасте 43 лет он умер от болезни, полученной им на фронтах первой мировой войны. Его прах покоится на центральном кладбище в Гёттингене.

Радиус, до которого необходимо сжать тело, чтобы свет от него не мог уходить в пространство, называют радиусом Шварцшильда. Для Солнца он составляет около трех километров. Если сжать Солнце до этого или меньшего радиуса, то его свет не будет выходить наружу. Вообще говоря, радиус Шварцшильда может быть рассчитан для любого тела. Чем меньше масса тела, тем меньше и радиус Шварцшильда. Для того количества вещества, из которого состоит человек, радиус Шварцшильда настолько мал, что если его выразить в сантиметрах, получится ноль целых и еще двадцать один ноль после запятой, и только дальше появятся цифры, отличные от нуля. Если сжать массу, равную массе человека, до столь малого радиуса, то во внешнее пространство от нее не будет уходить свет.

Превратившись в черную дыру, небесное тело не исчезает из Вселенной. Оно дает о себе знать внешнему миру благодаря своей гравитации. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие от нее на более значительном расстоянии. Черная дыра может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: она может удерживать около себя планеты или образовывать с другой звездой двойную систему.

Но пока что это все был наш мысленный эксперимент. Существуют ли черные дыры в действительности? Довольно трудно представить себе, чтобы на нейтронную звезду поступало столь большое количество вещества, что ее масса увеличилась до того предела, за которым наступает гравитационный коллапс. У рентгеновских двойных звезд, например, поток вещества, поступающего к нейтронной звезде, настолько мал, что за все время жизни звезды, отдающей свою массу, масса нейтронной звезды увеличивается совсем ненамного. Но что мы знаем о возникновении нейтронных звезд? Всего лишь то, что пульсар в Крабовидной туманности образовался после взрыва Сверхновой. А что мы знаем о взрывах сверхновых? Не может ли случиться, что иногда после разлета внешней оболочки остается еще масса, достаточная не только для образования нейтронной звезды, но и для дальнейшего коллапса ее в черную дыру? Относительно некоторых рентгеновских двойных имеется сильное подозрение, что компактным объектом, от которого исходит рентгеновское излучение, является не нейтронная звезда, а черная дыра. Вещество, которое идет от звезды-спутника, может еще до того, как станет невидимым в недрах черной дыры, разогреться до такой степени, что начнет испускать рентгеновское излучение. По движению видимой звезды, определенному с помощью эффекта Доплера (см. приложение А), можно рассчитать массу рентгеновского источника (см. приложение В). Считают, что у рентгеновского источника Лебедь Х-1 масса компактного объекта превышает три солнечных массы. Этот компактный объект уже не может быть нейтронной звездой; не является ли он черной дырой? Впрочем, методы определения массы не слишком точны. Поэтому до сих пор существование черных дыр не является безусловно доказанным.

Пока черные дыры встречаются в научной литературе, да и в широкой печати, гораздо чаще, чем в природе. Сегодня модно привлекать черные дыры для объяснения тех явлений, которым не удается найти другого истолкования черные дыры делают ответственными за все не понятые до сих пор космические явления. В книжном магазине в Лондоне я увидел книгу «Black Holes», помещенную в разделе книг по оккультизму. Английский книгопродавец, по-видимому, хорошо прочувствовал ситуацию, сложившуюся в современной астрофизике.

Скорее всего, свою жизнь звезда заканчивает как добропорядочный остывающий белый карлик или же как нейтронная звезда, которая первое время посылает радиоимпульсы, а также если к ней откуда-то поступает вещество, наблюдается как рентгеновский источник.

Если же к концу существования звезды у нее остается значительная масса, слишком большая, чтобы образовался устойчивый белый карлик, и слишком большая, чтобы нейтронная звезда могла пребывать в равновесии, то ее останки коллапсируют в черную дыру.

23 февраля 1987 года в Большом Магеллановом Облаке произошла вспышка Сверхновой. Хотя она и не принадлежит к Млечному Пути, но находится от него на расстоянии «всего» 120000 световых лет. Эта звезда есть на сделанных прежде снимках звезного неба; она взорвалась еще до того, как на Земле появились неандертальцы. Когда готовилось это издание, было еще не ясно, осталась ли на месте взрыва нейтронная звезда, от которой в будущем могут быть приняты сигналы пульсара, или же ядро Сверхновой сколлапсировало в черную дыру.

Умирающие звезды превращаются в компактные объекты, в которых вещество связано навечно. Однако прежде они выбрасывают часть своей массы в пространство — это то вещество, которое может послужить для образования новых звезд. И то вещество, из которого состоят наши собственные тела, по меньшей мере однажды кипело в недрах какой-нибудь звезды. Но почти всегда после звезды остается компактный объект, и в конце концов вся материя во Вселенной будет сосредоточена в остывающих белых карликах, нейтронных звездах и черных дырах, вокруг которых обращаются безрадостные холодные планеты. Похоже, что Вселенную ожидает довольно-таки унылое будущее.

Глава 12

Как рождаются звезды

«Как звезды рождаются, как умирают?

Ученые знать эти тайны желают».

(Девиз работы, представленной в 1958 г. на конкурс Немецкого общества естествоиспытателей и врачей и удостоенной премии.)

Мы проследили за жизнью звезды от воспламенения водорода в ее молодые годы до седой старости. Но что было еще раньше? Откуда берутся звезды, за судьбой которых мы наблюдали? Как они возникают?

Поскольку время жизни звезд ограниченно, они должны и возникать за конечное время. Каким путем мы могли бы что-нибудь узнать об этом процессе? Нельзя ли увидеть в небе, как образуются звезды? Не являемся ли мы свидетелями их рождения? Сотни миллиардов звезд образуют плоскую спираль нашей Галактики; не найдется ли здесь указаний на то, как образуются звезды?

Звезды рождаются и сегодня

Ключ к разгадке дают уже известные нам факты. Мы видели, что массивные звезды, масса которых превышает десять солнечных, быстро старятся. Они легкомысленно транжирят свой водород и уходят с главной последовательности. Поэтому, наблюдая массивную звезду, принадлежащую к главной последовательности, мы знаем, что она не может быть старой. Такую звезду отличает большая яркость: благодаря очень высокой температуре поверхности она светится голубым светом. Таким образом, голубые яркие звезды еще молоды-их возраст не превышает миллиона лет. Это, конечно, очень мало по сравнению с теми миллиардами лет, в течение которых светит наше Солнце. Итак, тот, кто желает найти, где во Вселенной рождаются звезды, должен ориентироваться по ярким голубым звездам главной последовательности. Если найти место, где недавно образовались звезды, может случиться, что звезды рождаются там и сегодня.

На небе можно обнаружить целые скопления ярких голубых звезд. Чем же они замечательны для нас? Обнаруживаются области, в которых плотность молодых звезд высока — они находятся среди старых звезд, но здесь их все же больше, чем где-либо. Складывается впечатление, что не так уж давно среди старых звезд возникли новые звезды, которые теперь медленно смешиваются со своим окружением. В то время как звезды в скоплениях расположены близко друг к другу и не расходятся, удерживаемые силой взаимного притяжения, эти молодые звезды довольно скоро «разбегаются» и «теряют друг друга из вида». К этим так называемым звездным ассоциациям привлек внимание советский астроном В. А. Амбарцумян. Могут ли они подсказать нам, как возникают звезды? Между звездами здесь можно увидеть плотные газовые и пылевые скопления. Примером может служить туманность Ориона (рис. 12.1). Здесь много ярких голубых звезд, возраст которых не превышает миллиона лет. В созвездии Стрельца молодые звезды скрыты плотными пылевыми облаками. Только при наблюдениях в длинноволновом ИК-диапазоне удалось Гансу Эльзёссеру с коллегами из испано-германской обсерватории в Калар-Альто сделать снимки сквозь облака пыли и впервые исследовать рождающиеся звезды.

Рис. 12.1. Светящаяся туманность Ориона. В области протяженностью около 15 световых лет межзвездный газ сильно уплотнен; один кубический сантиметр содержит до 10000 атомов водорода. Хотя по межзвездным меркам это очень высокая плотность, разрежение газа здесь намного выше, чем в лучших вакуумных установках на Земле. Вся масса светящегося газа составляет примерно 700 солнечных. Свечение газа в туманности возбуждается светом ярких голубых звезд. В туманности Ориона имеются звезды, возраст которых меньше миллиона лет. Наличие уплотнений позволяет считать, что образование звезд продолжается здесь до сих пор. Свет туманности, принимаемый нами сегодня, в действительности был излучен туманностью в эпоху Великого переселения народов. (Снимок Военно-морской обсерватории США, Вашингтон.)

Мы уже знаем, что пространство между звездами не совсем пусто: оно заполнено газом и пылью. Плотность газа составляет примерно один атом водорода на кубический сантиметр, а его температура соответствует минус 170 градусам Цельсия. Межзвездная пыль значительно холоднее (минус 260 градусов Цельсия). Но там, где имеются молодые звезды, дело обстоит иначе. Темные пылевые облака закрывают свет находящихся позади них звезд. Газовые облака светятся: здесь их плотность составляет десятки тысяч атомов в кубическом сантиметре, а излучение близлежащих молодых звезд разогревает их до 10000 градусов Цельсия. В радиодиапазоне можно наблюдать характерные частоты излучения сложных молекул: спирта, муравьиной кислоты. Концентрация межзвездного вещества в этих областях наводит на мысль, что звезды образуются из межзвездного газа.

В пользу этого говорят и соображения, впервые высказанные английским астрофизиком Джеймсом Джинсом,[29] современником Эддингтона. Представим себе пространство, заполненное межзвездным газом. Со стороны каждого из атомов на остальные действует гравитационная сила притяжения, и газ стремится сжаться. Этому препятствует главным образом газовое давление. Равновесие здесь в точности подобно тому, которое наблюдается внутри звезд, где гравитационные силы уравновешиваются давлением газа. Возьмем некоторое количество межзвездного газа и мысленно сожмем его. При сжатии атомы сближаются и сила притяжения возрастает. Однако газовое давление растет быстрее и сжимаемый газ стремится принять прежнее состояние. Говорят, что равновесие межзвездного газа устойчиво. Однако Джине показал, что устойчивое равновесие может нарушиться. Если одновременно сжимать достаточно большое количество вещества, то гравитационные силы могут возрастать скорее, чем газовое давление, и облако начнет сжиматься само по себе. Чтобы этот процесс происходил под действием собственных гравитационных сил облака, необходимо очень большое количество вещества: для развития неустойчивости требуется по меньшей мере 10 000 солнечных масс межзвездного вещества. Вероятно, именно поэтому молодые звезды наблюдаются всегда только группами: они, скорее всего, рождаются большими компаниями. Когда 10000 солнечных масс межзвездного газа и пыли начинают со все возрастающей скоростью сжиматься, образуются, по-видимому, отдельные уплотнения, которые дальше сжимаются сами по себе. И каждое такое уплотнение становится отдельной звездой.

Компьютерная модель рождения звезд

Процесс рождения звезды описал в своей докторской диссертации, подготовленной в Калифорнийском технологическом институте, молодой канадский астрофизик Ричард Ларсон в 1969 г. Его диссертация стала классикой современной астрофизической литературы. Ларсон исследовал образование отдельной звезды из межзвездного вещества. Полученные им решения подробно описывают судьбу отдельного газового облака.

Ларсон рассматривал шарообразное облако с массой, равной одной солнечной, и с помощью компьютера наблюдал за его дальнейшим развитием с такой точностью, какая только была тогда возможна. Взятое им облако само по себе уже было сгущением, фрагментом большого коллапсирующего объема межзвездной среды. Соответственно плотность его была выше плотности межзвездного газа: в одном кубическом сантиметре содержалось 60000 атомов водорода. Диаметр исходного облака Ларсона составлял 5 миллионов солнечных радиусов. Из этого облака образовывалось Солнце, и этот процесс по астрофизическим масштабам занимает очень недолгое время: всего 500000 лет.

Вначале газ прозрачен. Каждая частица пыли излучает постоянно свет и тепло, и это излучение не задерживается окружающим газом, а беспрепятственно уходит в пространство. Такова исходная прозрачная модель; дальнейшая судьба газового шара такова: газ свободно падает к центру; соответственно в центральной области накапливается вещество. У изначально однородного газового шара в центре образуется ядро с более высокой плотностью, которая и далее возрастает (рис. 12.2). Ускорение силы тяжести вблизи центра становится больше, и скорость падения вещества сильнее всего нарастает вблизи центра. Почти весь водород переходит в молекулярную форму: атомы водорода попарно связываются в прочные молекулы. В это время температура газа невелика и пока не возрастает. Газ все еще настолько разрежен, что все излучение проходит сквозь него наружу и не подогревает коллапсирующий шар. Только через несколько сотен тысяч лет плотность в центре возрастает до такой степени, что газ становится непрозрачным для излучения, уносящего тепло. Вследствие этого в центре нашего большого газового шара образуется горячее ядро (радиус которого составляет примерно 1/250 первоначального радиуса шара), окруженное падающим веществом. С ростом температуры возрастает и давление, и в какой-то момент сжатие прекращается. Радиус области уплотнения равен примерно радиусу орбиты Юпитера; в ядре в это время сосредоточено примерно 0,5 % массы всего вещества, участвующего в процессе. Вещество продолжает падать на относительно небольшое ядро. Падающее вещество несет энергию, которая при падении превращается в излучение. Ядро же сжимается и нагревается все сильнее.

Рис. 12.2. Модель образования Солнца по Ларсону. Облако межзвездной пыли начинает сжиматься (а). Вначале плотность внутри него почти везде одинакова. Через 390000 лет в центре облака плотность увеличивается в 100 раз (б). Через 423000 лет после начала процесса в центре уплотнения появляется горячее ядро, которое поначалу перестает сжиматься (в). На рисунке оно показано в увеличенном масштабе. Его плотность в 10 миллионов раз выше первоначальной. Основная доля массы, однако, как и раньше, приходится на окружающее его сжимающееся облако. Через короткое время молекулы водорода в ядре распадаются на атомы, ядро снова сжимается и образуется новое ядро, которое имеет размеры Солнца (на рисунке увеличено вдвое) (г). Хотя вначале его масса невелика, в конце концов все вещество облака переходит к нему. Ядро в центре разогревается до такой степени, что начинается термоядерная реакция водорода и оно становится звездой главной последовательности с массой, равной солнечной.

Так продолжается, пока температура не достигнет примерно 2000 градусов. При этой температуре молекулы водорода начинают распадаться на отдельные атомы. Этот процесс имеет для ядра важные последствия. Ядро вновь начинает сжиматься и сжимается до тех пор, пока выделяющаяся при этом энергия не превратит все молекулы водорода в отдельные атомы. Новое ядро лишь немногим больше нашего Солнца. На это ядро падают остатки окружающего вещества, и из него в конечном счете образуется звезда с массой, равной солнечной. С этого момента интерес представляет в основном только это ядро.

Поскольку этому ядру предстоит в конце концов превратиться в звезду, его называют протозвездой. Его излучение поглощается падающим на него веществом; плотность и температура растут, атомы теряют свои электронные оболочки — как говорят, атомы ионизуются. Снаружи пока удается увидеть не так уж много. Протозвезда окружена плотной оболочкой из падающих на нее газовых и пылевых масс, не пропускающей наружу видимое излучение; она освещает эту оболочку изнутри. Только когда основная часть массы оболочки упадет на ядро, оболочка станет прозрачной и мы увидим свет звезды. Пока остатки оболочки падают на ядро, оно сжимается, и температура в его недрах вследствие этого повышается. Когда температура в центре достигнет 10 миллионов градусов, начинается термоядерное горение водорода. Коллапсирующее облако, масса которого равна массе Солнца, становится совершенно нормальной звездой главной последовательности это, так сказать, пра-Солнце (молодое Солнце), дальнейшая история которого описана в начале этой книги.

К концу стадии протозвезды, еще до того, как звезда выйдет на главную последовательность, в ее глубинах происходит конвекционный перенос энергии в более обширные области. Происходит активное перемешивание солнечного вещества. Это дает ключ к разгадке литиевого парадокса Солнца, о котором шла речь в гл. 5. Атомы этого легко разрушаемого элемента переносятся вглубь, в горячую зону, где они превращаются в атомы гелия в соответствии с реакциями, приведенными на рис.5.3, — это происходит прежде, чем звезда станет звездой главной последовательности.

Рождение звезд в природе

Мы познакомились с решениями Ларсона, которые получены для идеализированной задачи, поддающейся расчету на ЭВМ. Но соответствует ли описанный процесс действительности? Реализуется ли он в природе на самом деле? Вернемся к небу, туда, где возникают звезды-вернемся к ярким, голубым, а значит, молодым звездам! Будем искать следы образования звезд, объекты, существование которых следует ожидать на основании решений Ларсона.

Яркие голубые звезды очень горячи, температура на их поверхности достигает 35000 градусов. Соответственно их излучение обладает очень высокой энергией. Это излучение способно срывать электроны с атомов водорода в межзвездном газе, оставляя положительно заряженные атомные ядра. Водород ионизуется — яркие массивные звезды ионизуют окружающие газовые массы. В нашей Галактике эти области выдают себя своим свечением, которое возникает, когда ионизованные атомы водорода захватывают обратно электроны и при этом излучают свет. Тепловое излучение этих областей может быть обнаружено также в радиодиапазоне.

Преимущество измерений в радиодиапазоне состоит в том, что радиосигналы не искажаются поглощающими массами пыли. Лучшим примером такого участия на небе, где свечение межзвездного вещества возбуждается яркими массивными звездами, является опять же туманность Ориона (см. рис. 12.1). Есть ли здесь объекты, имеющие какое-либо отношение к процессам, рассчитанным Ларсоном? Львиную долю своего времени жизни протозвезда скрыта под пылевой оболочкой, которая медленно оседает на нее. Пыль поглощает излучение ядра; при этом она нагревается до нескольких сотен градусов и излучает в соответствии с этой температурой. Это тепловое излучение должно наблюдаться в ИК-диапазоне.

В 1967 г. Эрик Беклин и Джерри Нойгебауэр из Калифорнийского технологического института в Пасадене открыли в туманности Ориона инфракрасную звезду, светимость которой была примерно в 1000 раз выше светимости Солнца, а температура излучения составляла 700 градусов. Диаметр объекта составлял около 1000 диаметров Солнца. Именно так должна была бы выглядеть газопылевая оболочка протозвезды. В последнее время выяснилось, что в тех областях нашего Млечного Пути, где наиболее вероятно образование новых звезд, имеются компактные источники, излучающие не только в инфракрасном, но и в радиодиапазоне. В туманности Ориона боннский радиоастроном Петер Мецгер с коллегами обнаружил области высокой плотности водорода, откуда исходит особенно мощное радиоизлучение. В этих областях концентрация свободных электронов, отделенных от атомов водорода, в сотню раз выше, чем в окружающем пространстве. По сравнению с туманностью Ориона размеры излучающего объекта чрезвычайно малы: они оцениваются в 500000 диаметров Солнца, примерно вчетверо меньше, чем диаметр облака, падающего на ядро в модели Ларсона.

Кроме того, в туманности Ориона обнаружены объекты небольших размеров, откуда исходит молекулярное излучение, прежде всего излучение молекул воды. Молекулы излучают в радиодиапазоне, и это излучение может приниматься с помощью радиотелескопов. Оказывается, что пространственные размеры этих объектов составляют всего лишь 1000 диаметров Солнца. Вспомним, что у Ларсона исходный диаметр облака составлял несколько миллионов солнечных радиусов! Таким образом, молекулярное излучение должно, по-видимому, исходить от ядра протозвезды.

Конечно, следует быть осторожным в интерпретациях такого рода. С уверенностью можно лишь утверждать, что в туманности Ориона наблюдаются объекты, которые, ничем не выдавая себя в видимом свете, обладают весьма значительной концентрацией газа и пыли, что в точности соответствует облакам в модели Ларсона.

Есть, однако, и другие свидетельства в пользу того, что наблюдаемые источники ИК- и радиоизлучения действительно являются протозвездами. Недавно в нашем институте группа австрийского астронома Вернера Чарнутера повторила усовершенствованными методами расчеты модели Ларсона. Были рассчитаны, в частности, процессы, связанные с возникновением ИК-излучения. Совпадение с наблюдениями оказалось поразительным: все говорит о том, что мы действительно наблюдаем протозвезды, смоделированные на ЭВМ.

Коль скоро мы так вплотную приблизились к разгадке возникновения звезд, можно задать вопрос, удастся ли в рамках этой модели объяснить образование всех 100 миллиардов звезд нашей Галактики. На рис. 12.3 схематически представлена структура нашей звездной системы. Не все звезды лежат в одной плоскости: самые старые звезды распределены в почти сферической области пространства, которую называют гало. Звезды гало очень старые, как можно заключить из диаграммы Г — Р для имеющихся здесь шаровых скоплений. В сравнении с нашим Солнцем они по своему химическому составу беднее теми элементами, которые тяжелее гелия, часто больше чем в десять раз. Все молодые звезды находятся в плоскости Галактики и содержат в своем составе больше тяжелых элементов. Хотя и у них на элементы тяжелее гелия приходится лишь малый процент массы, они дают нам ключ к секрету возникновения нашей Галактики. Водород и гелий имелись здесь с начала мира — это, так сказать, богом данные элементы. Более тяжелые элементы должны были возникнуть позднее в недрах звезд и при взрывах сверхновых. Таким образом, химические различия между звездами галактического гало и звездами галактической плоскости связаны с ядерными реакциями, происходящими внутри звезд.

Рис. 12.3. Схема строения Млечного Пути. Большинство звезд находится в плоском диске (на рисунке мы смотрим на него сбоку). Стрелкой указано положение Солнца, светлая полоска посередине изображает поглощающие пылевые массы. Шаровые скопления (жирные точки) и очень старые звезды (мелкие точки) образуют гало Млечного Пути. Эти звезды существуют очень давно. Звезды, рождающиеся сегодня, находятся только в непосредственной близости к пылевым массам в центральной плоскости Галактики.

Можно считать, что сегодня уже выяснены основные закономерности строения нашей Галактики. Сейчас же нам придется вспомнить кое-какие сведения из школьного курса физики.

Момент импульса и коллапсирующие облака

Описание физического мира существенно упрощается с введением ряда «законов сохранения». В повседневной жизни мы то и дело пользуемся ими, порой не отдавая себе в этом отчета. Со школьной скамьи мы помним законы сохранения массы и энергии; с этими законами мы сталкиваемся каждый день. Менее очевиден, быть может, тот факт, что момент импульса (момент количества движения, кинетический момент) вращающегося тела, предоставленного самому себе, не может просто так исчезнуть. Однако наглядный пример действия этого закона сохранения всем хорошо знаком. Когда фигуристка делает пируэт на льду, она вначале вращается медленно, вытянув руки в стороны. Когда же она сгибает руки, вращение без всякого внешнего усилия ускоряется. Это происходит в силу закона сохранения момента импульса. То же самое, хотя и не столь завлекательное, наблюдается при вращении облака межзвездного газа. Пусть облако вначале делает один полный оборот за 10 миллионов лет. Когда оно сожмется до одной десятой своего первоначального диаметра, оно будет вращаться в сто раз быстрее, совершая полный оборот за сто тысяч лет. Когда облако еще уменьшится, оно будет вращаться еще быстрее. Грубо говоря, произведение числа оборотов облака за единицу времени на площадь его поверхности (которую приближенно можно считать сферической) в ходе коллапса остается постоянным. Таким образом, чем меньше облако, тем быстрее оно вращается.

При этом все значительнее становится центробежная сила, действующая вдоль экваториальной плоскости против силы тяжести. Коллапсирующее облако сплющивается. Это сказывается на образовании отдельных звезд; имеет это отношение и к образованию нашего Млечного Пути.

История Млечного Пути, восстановленная по следам

Мы не знаем, откуда оно взялось. Когда-то вещество, возникшее в начале мира и носящееся в пространстве, образовало облако в несколько миллиардов солнечных масс и стало уплотняться. Как и всякое вещество, этот газ, выделившийся из турбулентной массы, приобрел вращательное движение. Постепенно облако сжималось и становилось более плотным; в нем выделились отдельные области, превратившиеся в небольшие, самостоятельно уплотняющиеся газовые облака. Возникли первые звезды. Они состояли только из водорода и гелия, и в них происходило термоядерное горение водорода (реакция соединения двух протонов). Довольно скоро наиболее массивные звезды израсходовали свой запас водорода и взорвались, став сверхновыми. В результате этого межзвездный газ обогатился элементами тяжелее гелия. Это происходило повсюду, так как все галактическое облако имело еще шарообразную форму (рис. 12.4, а). Поэтому самые старые звезды и очень старые шаровые скопления находятся в галактическом гало. Звезды галактического гало возникли первыми, задолго до того как Млечный Путь принял форму диска, задолго до появления нашего Солнца. В них тяжелые элементы присутствуют в очень малых количествах: эти звезды возникли из вещества, которое было еще мало обогащено атомами, образовавшимися в результате ядерных реакций в других звездах.

Рис. 12.4. Схема образования Млечного Пути. Примерно 10 миллиардов лет назад из первичной материи образовалось облако, которое стало уплотняться благодаря собственной гравитации. С увеличением плотности образовались первые звезды (точки) и шаровые скопления (жирные точки) (а). Они и сегодня заполняют сферическую область, в которой они возникли, и движутся относительно центра по траекториям, показанным красными стрелками (б). Массивные звезды быстро прошли весь свой путь развития и отдали обратно в межзвездный газ вещество, обогащенное тяжелыми элементами. Стали образовываться звезды, уже богатые тяжелыми элементами. Благодаря вращению уплотненный газ образовал диск. Здесь и по сей день возникают звезды (в). Эта схема объясняет пространственную структуру нашей Галактики и химические различия между периферийными звездами и звездами в центре.

Но эволюция шла дальше. Межзвездный газ постоянно обогащался тяжелыми элементами. В нем возникали пылевые зерна в результате столкновений частиц газа с ядрами конденсации, выброшенными развившимися звездами. Скоро и вращение приобрело заметную скорость. Все уплотняющиеся газопылевые массы принимали форму плоского диска, оставляя за собой шарообразное гало из старых звезд и шаровых скоплений (рис. 12.4,б). Новые звезды образовывались теперь только во все более плоской чечевицеобразной области из вещества, содержащего все большее количество тяжелых элементов. Большая часть газа была уже израсходована, и последние звезды образовывались в галактической плоскости. Первая фаза звездообразования закончилась.

Эта картина объясняет основные свойства нашей Галактики: самые старые звезды принадлежат шарообразному гало и бедны тяжелыми элементами. Самые молодые звезды образуются сегодня лишь в тонком диске, поскольку только здесь осталось еще достаточное количество газа.

Момент импульса, унаследованный от облака, из которого образовалась наша Галактика, виной тому, что наша звездная система имеет форму плоского диска. Именно поэтому мы видим свой Млечный Путь на небе как узкую полосу.

Кто командует образованием звезд?

Что же заставляет сегодня межзвездное вещество конденсироваться в определенных местах в плоскости нашего Млечного Пути и образовывать звезды? Почему в других местах нашей Галактики звезды не образуются? Млечный Путь, если смотреть на него из космической дали, выглядел бы подобно Туманности Андромеды: плоский диск с выраженной спиральной структурой (см. рис. 0.1). У других звездных систем спиральная структура проявляется еще отчетливей (см. рис. 0.4). На снимках удаленных галактик спиральные рукава выделяются потому, что в них возбуждается свечение ионизованного водорода. Как мы уже знаем из примера туманности Ориона, за ионизацию водорода ответственны яркие массивные звезды главной последовательности. Таким образом, спиральные рукава — это области, где имеются молодые звезды, т. е. области, где звезды только возникли. И в нашей Галактике молодые звезды выстраиваются вдоль спиральных рукавов.

С помощью радиоастрономии удается очень детально исследовать распределение межзвездного газа в нашем Млечном Пути; обнаруживается, что в спиральных рукавах плотность газа выше, чем вообще в плоскости Галактики. Итак, дано: с одной стороны, спиральные рукава являются областями повышенной плотности газа, с другой стороны, именно здесь находятся молодые звезды. Спрашивается: чем обусловлена спиральная структура, делающая галактики похожими на огненные колеса фейерверка?

Долгое время попытки объяснить спиральные структуры наталкивались на большие трудности, да и сейчас их возникновение нельзя считать окончательно ясным. Звездная система вращается. Скорость ее вращения может быть измерена (см. приложение А); при этом выясняется, что система вращается не как твердое тело. Скорость вращения уменьшается к периферии, так что центральная часть галактики вращается быстрее.

На первый взгляд нет ничего удивительного в том, что у галактик обнаруживается спиральная структура. Спиральные структуры возникают и при размешивании в чашке кофе с молоком, поскольку на разных расстояниях от центра жидкость вращается с различной скоростью. Можно было бы ожидать, что и любая начальная структура галактики через какое-то время станет спиральной из-за неодинаковости скорости вращения на разных расстояниях от центра.

Карл Фридрих фон Вайцзеккер сказал однажды, что Млечный Путь сегодня должен был бы иметь спиральную структуру, даже если когда-то он был похож на корову. Много лет назад в Гёттингене мы занялись галактической коровой Вайцзеккера; нам помогал Альфред Бэр, который до недавнего времени преподавал в Гамбурге. Результат представлен на рис. 12.5. Еще до того как основная часть звезд завершит первый оборот вокруг центра, корова-галактика превратится в прекрасную спираль. К сожалению, здесь имеется одна неувязка.

Рис. 12.5. Млечный Путь вращается не как твердое тело. Поэтому из произвольной начальной структуры через 100 миллионов лет образуется спиральный объект. К сожалению, спиральные рукава нашей Галактики не поддаются такому объяснению.

Для того чтобы из нашей произвольной начальной структуры образовалась спираль, требуется менее ста миллионов лет. Наш же Млечный Путь раз в сто старше. За это время спираль должна была бы растянуться гораздо сильнее: подобно бороздкам на долгоиграющей пластинке, нити спирали должны были бы стократ и больше обвиваться вокруг центра. Но этого мы не наблюдаем. Спиральные рукава галактики, как видно на рис. 0.4, не вытянулись в нити, и, стало быть, не могут являться остатками какой-то исходной структуры. Поскольку ни одна из наблюдаемых спиральных галактик не обладает нитевидной спиральной структурой, мы должны признать, что спираль не вытягивается. В то же время спиральные рукава состоят из звезд и газа, которые участвуют во вращательном движении. Как же разрешить это противоречие?

Есть только один выход. Нам следует отказаться от предположения, что вещество постоянно принадлежит одним и тем же рукавам спирали, и допустить, что существует поток звезд и газа через рукава спиральной структуры. Хотя звезды и газ участвуют во вращательном движении, сами рукава спирали представляют собой лишь определенные состояния, которые принимают потоки звезд и газа.

Поясним это на примере из повседневного опыта. Пламя газовой горелки не состоит из одного и того же вещества. Оно представляет собой лишь определенное состояние газового потока: здесь молекулы газа вступают в определенные химические реакции. Точно так же спиральные рукава представляют собой такие области галактического диска, в которых поток звезд и газа имеет какое-то определенное состояние. Это состояние определяется особенностями гравитационных сил вещества всей галактики. Объясним это подробнее.

Спиральные рукава: что это такое?

В природе струйные течения часто дают начало регулярным образованиям. Взаимодействие воды и ветра порождает волны прибоя, которые ритмично накатываются на берег. Песчаные морские отмели идут волнистыми складками. При аккуратном смешивании жидкостей разной температуры и плотности тоже могут возникать регулярные структуры. На поверхности остывшего какао в чашке наблюдается правильный узор.

Тенденцию к образованию структур проявляют и звезды, обращающиеся в плоскости галактики вокруг общего центра и находящиеся во власти гравитационного притяжения и центробежной силы.

Представим себе большое число звезд, образующих вращающийся диск. В каждой точке диска центробежная сила и сила тяжести взаимно уравновешиваются. Это равновесие, вообще говоря, неустойчиво. Если где-то плотность звезд выше, то они стремятся сблизиться еще сильнее, подобно частицам пришедшего в неустойчивое состояние межзвездного газа при образовании звезд. Важную роль, однако, играет и центробежная сила, и это усложняет процесс. Рассматриваемая ситуация может быть смоделирована на ЭВМ. На рис. 12.6 представлено решение, полученное для вращающегося диска, состоящего из 200000 звезд. Совершенно самостоятельно образуются длинные спиральные области повышенной плотности звезд: звезды образуют спиральные рукава! Рукава, однако, не растягиваются в нити, поскольку состоят они не из одних и тех же звезд. Поток звезд идет сквозь рукава. Когда звезды движутся по своим круговым орбитам, то, попадая в рукава, они сближаются теснее. Когда звезды выходят из рукавов, расстояние между ними увеличивается. Таким образом, спиральные рукава являются областями, где звезды теснее сближаются между собой, подобно тому как пламя горелки является областью, где молекулы газа вступают в химические реакции.

Рис. 12.6. Упрощенная компьютерная модель движения звезд в нашей Галактике. 200 000 звезд движутся относительно центра плоского диска, мы смотрим сверху. Цифры под картинками обозначают число оборотов, которые совершила система. Видно, что спиральная структура образуется очень быстро. Взаимопроникновение спиралей, т. е. то, что в каждый момент они состоят из различных звезд, можно видеть на примере верхнего рукава на картинках 4,5 и 5,5. Рукав сместился незначительно, звезды же за это время совершили полный оборот вокруг центра. Приведенное здесь решение получил американский астроном Фрэнк Хол в Центре Лэнгли NASA (Хэмптон, шт. Виргиния, США).

Спиральные рукава — это области, где плотность звезд выше, чем в других местах галактического диска. Это хорошо видно на рис. 12.6, но в нормальной галактике изменения плотности так невелики, что непосредственно наблюдать их не удается. Однако вместе с плотностью звезд изменяется и плотность межзвездного газа, участвующего вместе со звездами во вращательном движении: проходя через спиральные рукава, газ уплотняется. В результате этого уплотнения и возникают условия, необходимые для образования звезд. Вот почему звезды образуются в спиральных рукавах. Среди них есть и массивные звезды. Эти яркие голубые звезды возбуждают свечение окружающего газа. Именно светящиеся облака ионизованного водорода создают замечательное зрелище спиральных рукавов, а не более тесно расположенные звезды.

Мы уже познакомились с галактикой в созвездии Гончих Псов (см. рис. 0.4). Здесь мы еще больше узнаем об образовании звезд в спиральных рукавах. Мы смотрим на эту систему издалека: она просвечивает сквозь ближние звезды нашей собственной Галактики. Свет от нее идет двенадцать миллионов лет, прежде чем попадает в наши телескопы. Поскольку мы видим эту галактику, так сказать, сверху, перпендикулярно ее плоскости, можно особенно хорошо различить ее спиральные рукава.

Образование звезд в галактике в созвездии Гончих Псов

От этой галактики идет к нам радиоизлучение. Быстро движущиеся электроны, которые приобрели огромную скорость, по всей видимости, в результате взрывов сверхновых, пролетают сквозь звездную систему, испуская при этом радиоволны. Эти радиоволны принимаются чувствительными радиотелескопами. Можно даже определить, из каких областей галактики излучение сильнее, а из каких слабее. В 1971 г. радиоастрономы Дональд Мэтьюсон, Пит ван дер Крюйт и Вим Броув в Голландии получили радиоизображение этой галактики (рис. 12.7). На этом снимке интенсивность радиоизлучения передается участками различной плотности: чем сильнее радиоизлучение, тем светлее участок снимка. Хотя радиотелескоп дает не столь резкую картину, как оптический телескоп, на снимке хорошо видна спиральная структура. Таким образом, спиральные рукава излучают не только видимый свет, но и радиоволны.

Рис. 12.7. Радиоизображение галактики, показанной на рис. 0.4. На этом компьютерном изображении галактика выглядит такой, какой мы увидели бы ее, будь наши глаза чувствительны к радиоизлучению на волне 21 см и к тому же «видели» бы так же хорошо, как большой радиотелескоп в Вестерборке (Голландия). Радиоизлучение приходит в основном из тех областей, где плотность межзвездного газа повышена. Видно также, что газовые облака в этой галактике имеют почти такую же спиральную структуру, как и распределение молодых звезд. (Снимок Лейденской обсерватории.)

Почему же создаваемое электронами радиоизлучение в одних местах галактики сильнее, а в других слабее? Это связано с самим механизмом возникновения этого излучения, в детали которого мы здесь вдаваться не будем. Достаточно указать, что более сильное радиоизлучение возникает там, где плотность межзвездного газа выше. Тем самым радиоизображение галактики в созвездии Гончих Псов доказывает, что в спиральных рукавах не только звезды стоят ближе друг к другу, но и межзвездный газ имеет более высокую плотность.

Туманность в созвездии Гончих Псов показывает нам и кое-что еще. Можно заметить, что области максимальной интенсивности радиоизлучения не вполне точно совпадают с видимыми рукавами спирали (рис. 12.8). Область наибольшей плотности межзвездного газа слегка смещена внутрь по отношению к видимому рукаву. Что бы это означало? Сквозь спиральные рукава идет поток звезд и межзвездного газа, причем этот поток пересекает рукав так, что входит в него с «внутренней» (обращенной к центру) стороны, а выходит с внешней. Сравнение видимого рукава, подсвечиваемого новорожденными звездами, и радиорукава, соответствующего области максимального сжатия межзвездного газа, позволяет составить следующую картину.

Рис. 12.8. Области максимального радиоизлучения (схематически прорисованные белыми линиями), наложенные на оптическое изображение галактики в созвездии Гончих Псов. Видно, что спиральные рукава максимальной плотности газа и спиральные структуры, образуемые молодыми звездами, не вполне совпадают. Таким образом, следует различать рукава плотности (радиорукава) и видимые рукава галактики.

Звезды и межзвездное вещество обращаются вокруг центра галактики (рис. 12.9). Приближаясь к рукаву спирали, звезды сближаются между собой, газ уплотняется, и тем самым создаются условия, необходимые для возникновения новых звезд. Возникают облака межзвездного газа; они коллапсируют и появляются первые протозвезды. Через некоторое время звезды и межзвездный газ выходят из области максимальной плотности (которая соответствует рукаву на радиоизображении галактики). Но начавшийся там процесс образования звезд продолжается, и через некоторое время из протозвезд возникают первые массивные звезды. Эти яркие голубые звезды возбуждают свечение окружающего газа, и мы наблюдаем это как видимый рукав спирали.

Рис. 12.9. Образование звезд в галактике в созвездии Гончих Псов. Справа вверху схематически показана структура галактики (ср. с рис. 0.4). Область, помеченная штриховым квадратом, показана в увеличенном масштабе в нижней части рисунка. Вещество галактики, вращающейся против часовой стрелки, проходит вначале сквозь рукава плотности (радиорукава). При этом межзвездный газ сжимается. Начинается образование звезд. Через некоторое время появляются первые молодые звезды, они освещают прилежащие массы газа, которые дают видимое излучение (видимые рукава галактики). Поскольку газ от момента уплотнения до момента образования звезд успевает переместиться, радиорукава и видимые рукава не совпадают между собой. Этим объясняется ситуация, показанная на рис. 12.8. Направление движения вещества указано красными стрелками.

Итак, вещество вначале проходит через область повышенной плотности. Здесь начинается процесс образования звезд. Через некоторое время загораются первые звезды, и мы наблюдаем видимый рукав спирали. Поскольку мы знаем, с какой скоростью движутся звезды и газ в галактике в созвездии Гончих Псов, и можем измерить расстояние между радиорукавом и видимым рукавом галактики, мы можем вычислить время, которое проходит с момента уплотнения межзвездного газа до появления первых звезд: оно составляет примерно шесть миллионов лет. В последние 500 000 лет из этих шести миллионов идет процесс того типа, который описывается решениями Ларсона. Требуется пять с половиной миллионов лет, чтобы из межзвездной материи образовалось облако, которое Ларсон положил в основу своей модели.

Прежде чем галактическое вещество успеет совершить полный оборот вокруг центра галактики, жизненный срок массивных звезд истекает. Они возвращают значительную часть своего вещества в межзвездный газ, а сами становятся белыми карликами или взрываются, образуя сверхновые. Поступающее от них в межзвездный газ вещество обогащено атомами тяжелых элементов, возникших в недрах звезд, и при следующем прохождении через спиральный рукав участвует в образовании новых звезд. Лишь вещество, заключенное в компактных объектах — белых карликах или нейтронных звездах, оставшихся после гибели звезд, исключается из этого кругооборота материи.

Когда-то, долгое время спустя после образования звезд галактического гало, вещество нашего Солнца в виде межзвездного газа прошло через спиральный рукав, и тогда образовалось много звезд. Более массивные братья нашего Солнца давно уже закончили свою жизнь, менее же массивные, как и наше Солнце, за это время из-за неравномерного вращения в нашей Галактике, разбрелись по Галактике и скрылись из виду.

Глава 13

Планеты и их обитатели

«Обитаема ли Луна, астроном знает с такой же уверенностью, с какой он знает, кто его отец, но не с такой, с какой он знает, кто его мать».

Георг Кристоф Лихтенберг (1742–1799).

Образование звезд происходит все-таки несколько иначе, чем описано в предыдущей главе, и виной тому наличие момента импульса. Звезды и межзвездный газ обращаются вокруг центра нашего Млечного Пути. Кроме того, каждое отдельное облако вращается и относительно собственного центра, и это вращательное движение сохраняется. Скорость вращения увеличивается, когда облако межзвездного газа и пыли коллапсирует и начинается образование звезды. С этим связаны такие последствия. С увеличением плотности скорость вращения растет, возрастает и центробежная сила. В экваториальной плоскости облака она действует против силы тяжести. Коллапсирующее облако сплющивается, и может случиться, что вместо красивой шарообразной протозвезды, как в решении Ларсона, возникнет устойчивый вращающийся диск (рис. 13.1). Все как будто идет совсем иначе, чем это описано в предыдущей главе.

Рис. 13.1. Схема образования нашей планетной системы. Часть облака межзвездного газа под действием гравитационных сил сжимается. При этом происходит сплющивание облака, так как центробежная сила противодействует сжатию в экваториальной плоскости. Образуется плоский диск, в центре которого рождается Солнце. В окружающем Солнце плоском диске вещество сгущается и образуются планеты, обращающиеся вокруг Солнца в одной плоскости. Масштаб на рисунке не выдержан. Хотя процесс кажется довольно простым, некоторые его детали не ясны по сей день.

Существование нашей планетной системы показывает, что вращение исходного вещества, из которого образуется Солнце, играет важную роль. Планеты движутся в одну и ту же сторону вокруг Солнца, их орбиты лежат практически в одной плоскости, как будто они образовались из плоского вращающегося диска, и их движение до сих пор отражает его вращение. Есть и еще одно соображение. Несмотря на то что в нашей Солнечной системе почти вся масса сосредоточена в Солнце на планеты приходится всего 1,3 % от общей массы, Солнце почти не обладает моментом импульса. Весь момент импульса Солнечной системы обусловлен орбитальным движением планет. Похоже на то, что при коллапсе облака межзвездного газа природа поступила очень находчиво: она разделила момент импульса, которым обладало вещество при образовании звезды. Почти весь момент импульса достался небольшой доле исходной массы, из которой образовались планеты, в то время как из основной части вещества, лишенного теперь момента импульса почти полностью, образовалось центральное тело в духе модели Ларсона.

Моделирование образования планет на ЭВМ

Еще французский математик Лаплас и немецкий философ Иммануил Кант предполагали, что Солнце и планеты образовались из вращающейся туманности. Сегодня подобный процесс можно попытаться смоделировать на компьютере. В дальнейшем я буду основываться на результатах расчетов, которые осуществили калифорнийский астрофизик Питер Боденгеймер и Вернер Чарнутер частью по отдельности, частью совместно в Мюнхене. Поначалу они намеревались объяснить происхождение Солнца и планет. Но дело обернулось совсем иначе.

Насколько просто моделировать на компьютере процессы, обладающие сферической симметрией, понимаешь лишь тогда, когда берешься за следующую по сложности задачу. В сферически-симметричной задаче в любой момент времени все параметры зависят только от расстояния до центра. Когда, например, в модели Ларсона вещество нагревается, то одновременно нагревается весь слой, расположенный на одном и том же расстоянии от центра, т. е. слой, лежащий на поверхности сферы определенного радиуса. Если вещество не вращается, сферическая симметрия является хорошим приближением; все частицы, участвующие в коллапсе, имеют одинаковую судьбу независимо от того, по какому направлению они движутся.

Вращение нарушает сферическую симметрию. Силы, действующие на частицы, движущиеся со стороны полюса, отличаются от сил, действующих на частицы, приходящие со стороны экватора. Сферической симметрии больше нет. Но это не значит, что задача приобретает невероятную сложность. Она сохраняет определенную степень симметрии. Например, в экваториальной плоскости частицы движутся к центру по различным направлениям, но все эти направления равнозначны. В таком случае говорят, что процесс обладает осевой (аксиальной) симметрией. Осесимметричные процессы рассчитывать на ЭВМ уже гораздо труднее, но и к ним можно найти подход. Боденгеймер и Чарнутер построили компьютерную модель коллапсирующего вращающегося облака (рис. 13.2). Вначале все идет по Ларсону: облако сжимается, и в центре образуется уплотнение. Чем сильнее сжимается облако, тем больше дает о себе знать центробежная сила: облако сплющивается. В конце концов образуется плоский диск. Теперь в коллапсе участвует лишь вещество, находящееся вблизи оси вращения, в экваториальной же плоскости газ движется к центру медленно и в какой-то момент прекращает движение. Вместо ядра, на которое со всех сторон падает вещество, мы имеем диск, на который вещество падает лишь по оси. Диск, экваториальный радиус которого в восемь раз больше его толщины, занимает огромное пространство с поперечником около 120 радиусов орбиты Плутона, самой далекой планеты Солнечной системы. Один оборот вокруг центра совершается за 300000 лет.

Рис. 13.2. Вращающееся облако межзвездного газа начинает сжиматься под действием гравитационных сил. Направление вращения показано на верхнем рисунке. Вначале газ равномерно движется по всем направлениям к центру. Затем образуется вращающийся диск (рисунок посередине), на который газ поступает из полярных областей (направление движения газа показано черными стрелками). Образуется кольцо уплотнения, которое на нижнем рисунке показано в сечении двумя кружками. На рис. 13.3 это же кольцо показано в плане. В этом процессе, рассчитанном Боденгеймером и Чарнутером в 1978 г., не образуется центральной звезды.

Это был не совсем тот результат, который хотелось бы получить. Желательно было бы прийти к объекту, в недрах которого могло возникнуть пра-Солнце. Вокруг Солнца был бы диск, из которого с течением времени могли образоваться планеты. У диска же Боденгеймера — Чарнутера в центре не было никакого солнцеподобного тела-напротив, основная плотность вещества была сосредоточена в кольце, которое охватывало центр на расстоянии 17 радиусов орбиты Плутона. Вместо центрального тела образовалось кольцо!

На рис. 13.2, в это кольцо показано в сечении, а на рис. 13.3, а-в плане.

Если разобраться, в этом результате мало удивительного. Почему вещество в этой модели не устремляется к центру, а образует кольцо? Падению вещества к центру препятствует центробежная сила. Всему виной момент импульса, которым обладает вещество. Мы уже высказали предположение, что при образовании Солнечной системы вещество и момент импульса как бы разделились, так что сегодня основная доля вещества принадлежит Солнцу, а момент импульса-планетам. В расчетах же Боденгеймера и Чарнутера каждый грамм вещества сохранял за собой тот момент импульса, которым он обладал с самого начала. Они могли повторить свои выкладки с поправкой на то, что может происходить перенос момента импульса в веществе подобно переносу тепла в каком-либо теле. Есть, правда, одна загвоздка: мы знаем несколько механизмов, с помощью которых может осуществляться перенос момента импульса от одной части газопылевого диска к другой, но не знаем, какой из них наиболее важен. Часть диска может лишиться своего момента импульса благодаря действию магнитных полей, и тогда вещество сможет образовать уплотнение в центре. Могут здесь играть роль и турбулентные движения с учетом вязкого трения.

На сегодняшний день турбулентные движения в жидкостях и газах относятся к наименее изученным физическим процессам, хотя примеры их нам хорошо известны. Струя, вытекающая под большим напором из водопроводного крана, не является однородной: внутри нее вода движется очень сложным и непредсказуемым образом. Другой пример турбулентного, нерегулярного движения жидкости — струйка лесного родника. То, что при вращении диска, из которого должна образоваться звезда, турбулентность может играть важную роль, показал еще фон Вайцзеккер в годы второй мировой войны. В конце 40-х — начале 50-х годов под его руководством в Гёттингене над этой проблемой работала группа молодых физиков. В их числе был Реймар Люст, нынешний президент Общества Макса Планка, посвятивший свою докторскую диссертацию переносу момента импульса во вращающемся газовом диске. В 1979 г. на компьютерной модели Чарнутер показал, что в диске может образоваться центральное ядро, а из него-звезда, если благодаря турбулентному движению вещества в диске происходит разделение момента импульса. К сожалению, о турбулентных движениях во вращающемся газовом диске известно так мало, что невозможно количественно оценить процессы разделения вещества и момента импульса.

На этом мы пока и остановимся. Прежде чем идти дальше, астрофизики должны выяснить механизмы переноса момента импульса в веществе. Похоже, однако, на то, что не только астрофизики не знают наверное, что им делать с моментом импульса во вращающемся газовом диске, но и сама Природа не всегда справляется с этой проблемой.

Возникновение двойной звездной системы

Кольцо, появляющееся в результате эволюции описанной выше модели, не давало покоя группе сотрудников нашего института. Что произойдет, если Природа, как Боденгеймер с Чарнутером, не будет знать, как ей разделить момент импульса, и в результате образуется подобное кольцо? Природа не дает на этот счет никаких подсказок: во Вселенной мы наблюдаем только звезды, но никогда не видим колен, вращающихся относительно нематериального центра. Что же происходит с кольцом?

Попытки промоделировать дальнейшую судьбу кольца на компьютере наталкиваются на новые, еще большие трудности. Если до сих пор кольцо было осесимметричным, то теперь оно теряет это свойство. Необходимо разработать новые сложные методы расчета, чтобы моделировать процесс, требующий использования огромного объема компьютерной памяти. В 1977/78 годах в стенах нашего института осуществилось счастливое соединение светил науки: здесь собрались Вернер Чарнутер, Карл-Хайнц Винклер и Гарольд Йорк. К ним примкнул молодой польский астрофизик Михал Ружичка. Вчетвером они написали программу, позволившую выяснить, что произойдет дальше с кольцом Боденгеймера-Чарнутера.

Полученные ими результаты представлены на рис. 13.3. В противолежащих точках кольца за 10000 лет развиваются два уплотнения, которые сжимаются все сильнее, пока еще через 50000 лет не возникнут два облака, обращающиеся относительно друг друга, из которых могут возникнуть звезды. Компьютер описал нам рождение двойной звездной системы!

Рис. 13.3. «Кольцо уплотнения», возникновение которого показано на рис. 13.2, в плане; масштаб увеличен примерно втрое по сравнению с предыдущим рисунком. Через несколько сотен тысяч лет образуются два уплотнения, из которых могут возникнуть две звезды, образующие широкую двойную систему.

По всей вероятности, это может служить указанием на то, что в природе возможны два пути. В одном случае вещество сохраняет момент импульса, и из кольца возникает двойная звезда. В другом случае происходит разделение вещества и момента импульса, и образуется центральная звезда, обладающая малым моментом импульса, и планетная система, в которой сосредоточена небольшая масса, но которая обладает значительным орбитальным моментом. Если это так, то следует заключить, что все одиночные звезды имеют планетные системы.

Одиноки ли мы?

Хотя путь от облака межзвездного газа к планетной системе и не понят нами окончательно, не может быть сомнения в том, что за образование планет, а, следовательно, и за наше с вами существование, ответствен момент импульса, которым обладало исходное вещество. И тогда все одиночные звезды должны обладать обращающимися вокруг них маленькими планетами, которые мы не в состоянии наблюдать из-за их большой удаленности. Но если солнечная система типа нашей не единственна во Вселенной, то, быть может, и мы не единственные обитатели планет? Быть может, наш Млечный Путь полон планет, на которых есть жизнь, стоящая на одинаковой с нами, более ранней или более поздней ступени развития? Одиноки ли мы во Вселенной или же, помимо нашей, есть и другие цивилизованные формы жизни, с которыми мы могли бы попытаться установить связь?

Проект ОЗМА и послание из Аресибо

В мае 1960 года американские астрономы из обсерватории в Грин Бэнк направили свой радиотелескоп на звезду Тау Кита. Используя длину волны 21 см, они намеревались выяснить, не исходит ли оттуда радиоизлучение, которое можно было бы истолковать как сигналы разумной цивилизации. Аналогичным образом прослушивалась и звезда Эпсилон Эридана. Почему были выбраны именно эти звезды? Они находятся достаточно близко к нам, но не являются ближайшими: от одной из них свет идет до нас одиннадцать лет, от другой двенадцать. Они очень похожи на наше Солнце по температуре, светимости и химическому составу. Их возраст также близок к возрасту Солнца.

И если наше Солнце окружают планеты, на одной из которых существует технически развитая цивилизация, способная построить достаточно мощный радиопередатчик, то нельзя ли предположить, что и у этих двух солнц могут быть планеты, на которых есть цивилизации с высоким уровнем техники?

Предположим, что там действительно существуют живые существа, технический уровень которых подобен нашему. Смогли бы мы принять сигналы их передатчиков? От нас радиосигналы идут в космос уже довольно давно. Вскоре после 1945 года удалось принять радиолокационный импульс, отраженный от Луны. Находящиеся на Луне астронавты поддерживали связь с Землей; космические зонды, проникшие уже глубоко в космос, управляются с помощью радиосигналов, посланных с Земли. Осуществлена радиолокация Венеры. Предположим, что антенна такого локатора находится далеко от нас на планете, обращающейся вокруг чужого солнца. Двадцатишестиметровый радиотелескоп в Грин Бэнк смог бы принять ее сигнал на расстоянии до 9 световых лет; 100-метровый радиотелескоп в Эффельсберге — на расстоянии до 30 световых лет. Имеется около 350 звезд, находящихся на меньшем расстоянии от Солнца. Если бы от одной из них посылались сигналы с помощью тех технических средств, которыми мы располагаем на Земле, то мои коллеги и друзья Петер Мецгер и Рихард Вилебинский, работавшие на радиотелескопе в Грин Бэнк, обязательно, их услышали.

В течение трех месяцев велось прослушивание звезд Тау Кита и Эпсилон Эридана на радиотелескопе в Грин Бэнк, но никаких сигналов принять не удалось. Поэтому эта программа исследований была прекращена, чтобы дать возможность вести другие наблюдения. Этим закончился проект ОЗМА, названный так в честь сказочной страны Оз. На профессиональном жаргоне этот проект называли также «зелеными человечками»; и маленькие зеленые человечки никак не дали знать о себе.

А с чего бы им, собственно, это делать? Разве мы чувствуем свою ответственность за развитие межпланетных коммуникаций? Разве мы отправляем систематически послания к другим звездам? Если не считать короткой направленной передачи 16 ноября 1974 года, в этом отношении мало что сделано. В тот день с помощью радиотелескопа в Аресибо в Пуэрто-Рико было послано в космос трехминутное сообщение. Поскольку эта антенна обладает большой направленностью, дальность передачи может быть особенно велика. Но куда направить антенну? Было решено направить ее в сторону шарового скопления в созвездии Геркулеса. Там звезды стоят очень близко друг к другу, и эта единственная передача могла достигнуть планет 300000 солнц. Радиоволны дойдут туда через 24000 лет. Если какая-то цивилизация направит достаточно большой радиотелескоп в нужную сторону, да еще и в соответствующие три минуты, то она примет послание из Аресибо. Ясно, что вероятность этого очень мала. Передача из Аресибо была скорее символическим актом, чем-то вроде повторного освящения телескопа, вошедшего в строй после длительной реконструкции. Если действительно стремиться установить контакт с другой цивилизацией во Вселенной, то нужно систематически вести прослушивание, в то время как другие должны систематически вести передачи.

К несистематическим попыткам сообщить о себе можно отнести и посылку в космос двух гравированных позолоченных алюминиевых пластин, которые были помещены на космические зонды «Пионер-11» и «Пионер-12», направлявшиеся к Юпитеру (рис. 13.4). Когда их миссия будет закончена, они покинут Солнечную систему и уйдут в далекий космос. Как и послание из Аресибо, эти пластинки содержат информацию о нашем месте во Вселенной и о нас самих. Если разумным существам попадут в руки эти визитные карточки, они многое узнают о нас-загадкой для них навсегда остается только то, как мы выглядим сзади.

Рис. 13.4. Космический зонд «Пионер», направляясь к Юпитеру, нес позолоченную алюминиевую пластинку — нашу визитную карточку на случай встречи с представителями внеземной цивилизации. Помимо графической информации о нас самих на пластинке указан наш адрес в Млечном Пути, привязанный к направлениям, в которых мы принимаем наиболее мощные пульсары. Поскольку частота пульсаров со временем понижается, «получатель» сможет определить даже время запуска зонда. В нижней части помещена информация о Солнце и Солнечной системе, дополненная числовыми данными, выраженными в двоичной системе счисления.

Долгая дорога жизни

Вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной и существует ли жизнь на других звездах, возник гораздо раньше, чем мы узнали, что неподвижные звезды сами являются солнцами. Об этом размышляли Николай Кузанский (1401–1464) и Джордано Бруно (1548–1600). Одному это ничего не стоило, а другой сгорел на костре.

Мы хотели бы ограничить вопрос о существовании жизни на других небесных телах нашей Галактики лишь такими формами жизни, которые имеют ту же химическую основу, что и жизнь на Земле. В частности, мы будем связывать существование жизни с наличием воды в жидком состоянии. Пусть вопрос состоит в том, имеется ли на какой-либо планете жизнь, подобная нашей или, быть может, в более усовершенствованных формах. Во всяком случае необходимо, чтобы жизнь существовала там не меньшее время, чем она существует на Земле. По находкам, сделанным в Трансваале, мы знаем, что сине-зеленые водоросли-достаточно высокоразвитые одноклеточные-существуют уже 3,5 миллиарда лет. Возраст Земли, по оценкам, на 1–1,5 миллиарда лет больше. Итак, нам следует искать звезды, вблизи которых минимум 4 миллиарда лет существуют условия для эволюции примитивных живых организмов.

Вспомним историю развития жизни на нашей планете. Астроном Генрих Зидентопф (1906–1963) предложил такое наглядное сравнение. Уподобим все время существования Земли, около 5 миллиардов лет, одному году. Тогда 100 миллионов лет будут соответствовать одной неделе, а 160 лет одной секунде. В таком случае от возникновения Вселенной и самых старых звезд Млечного Пути до образования Солнца и Земли проходит один год. Пусть в январе следующего года образуются Земля и остальные планеты. Атмосфера Земли состоит еще в значительной степени из водорода, самого распространенного элемента во Вселенной. Позднее он вырывается из плена земного притяжения, и основными компонентами атмосферы становятся азот и кислород. Еще в водородной атмосфере появляются простейшие формы жизни; к марту возникают одноклеточные. Развитие жизни идет дальше, но лишь последние шесть недель нашего условного года мы достаточно хорошо знаем по окаменелостям. Водорода в атмосфере уже почти нет, и жизнь существует за счет кислорода. К концу ноября сушу осваивают растения, чуть позднее-животные. В два дня рождественских праздников (24–25 декабря) вымирают динозавры, которые до этого примерно неделю господствовали на Земле. В 23 часа 31 декабря появляется «пекинский человек» (синантроп), за 10 минут до конца года на новогоднем празднестве появляется неандерталец, за пять минут-представители современной человеческой расы, за тридцать секунд до конца года начинается история человечества. За эти тридцать секунд численность человечества увеличилась стократно: особенно быстро шел рост народонаселения в последние секунды: только за последнюю секунду население земного шара утроилось. А первая радиопрограмма была передана в эфир всего за четыре сотых секунды до того, как в небо взвились ракеты новогоднего фейерверка.

Итак, жизнь на Земле существует почти так же долго, как и сама Земля, однако лишь ничтожная доля этого времени приходится на то, что мы называем цивилизацией.

Миллион обитаемых планет в нашей Галактике?

Развитие жизни оказывается столь длительным процессом, что его можно сравнить с временем развития звезд. Как известно, в небе есть столь молодые звезды, что обезьяночеловек с острова Ява мог быть свидетелем их рождения. Если у подобных звезд имеются планеты, то на них еще не может существовать высокоразвитая жизнь. О массивных звездах мы знаем, что они дают свет и тепло лишь в течение нескольких миллионов лет слишком малый срок для того, чтобы успела развиться жизнь. Таким образом, нам подходят лишь звезды, масса которых равна массе Солнца или меньше ее. Млечный Путь содержит около 100 миллиардов звезд. Почти все они по массе укладываются в требуемые рамки, так как число массивных звезд очень невелико.

За вычетом небольшого процента все звезды Млечного Пути дают тепло достаточно долгое время, чтобы успела возникнуть разумная жизнь. Остается открытым вопрос, все ли эти звезды имеют планетные системы. Лишь на небесном теле, обращающемся вокруг звезды, температура может быть такой, что вода находится в жидком состоянии. К сожалению, астрономы не могут различить другие солнечные системы: самые близкие к нам звезды все равно слишком далеки, чтобы можно было различить в телескоп их крошечные спутники. Весьма вероятно, однако, что и вокруг других солнц обращаются планеты — прежде всего нам не следует думать, что наша Солнечная система чем-то особенна. В истории науки не раз уже опровергалась мысль о том, что нам принадлежит особое место в мироздании.

Мы уже видели, что благодаря наличию у космического вещества момента импульса одиночные звезды, по всей вероятности, имеют планетные системы. В этом убеждает нас и наша собственная Солнечная система. Гигантские планеты Юпитер и Сатурн образуют со своими лунами собственные маленькие планетные системы, за возникновение которых, очевидно, тоже несет ответственность момент импульса. Так что вполне разумно было бы считать, что все одиночные звезды имеют планетные системы.

Если же из-за наличия момента импульса возникает двойная звездная система, то если в такой системе планеты и возникнут, они либо за короткое по космическим масштабам время упадут на одну из звезд, либо разлетятся в космическое пространство. Поскольку при ближайшем рассмотрении более половины звезд оказываются двойными, у нас остается что-то около 40 миллиардов звезд.

Теперь необходимо, чтобы планеты находились на подходящем расстоянии от звезды: излучение звезды должно создавать на поверхности планеты такую температуру, чтобы вода существовала в жидком состоянии. В нашей планетной системе Меркурий оказывается слишком близко к Солнцу, а те планеты, которые находятся за Марсом, получают от Солнца слишком мало тепла. Мы никогда не видели планет других звезд. Как же узнать, сколько из них находится на нужном расстоянии? Остается только опираться на аналогию с нашей собственной Солнечной системой. Здесь Земля попадает в ту область, где возможна жизнь, а Марс и Венера находятся на границе этой области. Снимки аппаратов «Маринер» показали нам поверхность Марса, своей безжизненностью напоминающую лунный пейзаж. Хотя атмосфера Марса содержит воду, спускаемые аппараты «Викингов» не смогли обнаружить на Марсе никаких следов живых клеток. Советские космические аппараты измерили температуру на поверхности Венеры, которая превышает 450 градусов Цельсия. Так что Венера тоже малопригодна для жизни. Похоже, что в нашей Солнечной системе мы одиноки.

Если прикинуть, какие условия должны осуществиться на планете, чтобы там могла возникнуть жизнь, то станет ясно, насколько редкой может быть счастливая случайность, обеспечивающая на небесном теле пригодный для жизни климат. Ученые NASA считают, что в нашей Галактике имеется не более миллиона планет, на которых внешние условия могли бы позволить жизни развиться до высокого уровня.

Но если даже на планете достаточно долгое время существует благоприятный климат, то возникнет ли на ней жизнь? Этот вопрос адресован не к астрономам, а к биологам. Но и астроном может помочь: он знает, что распределение химических элементов во Вселенной, за немногими исключениями, всюду одинаково. Самые далекие звезды Млечного Пути и даже звезды других галактик состоят из такой же смеси химических элементов, что и наше Солнце. Нет звезд из серы и туманностей из ртути. Почти всюду основным веществом является водород, за ним идет гелий, а потом и другие элементы. Мы можем заверить биолога, что на самой далекой планете с подходящим климатом найдутся все вещества, которые необходимы ему, чтобы создать все свои органические молекулы. Радиоастрономы обнаружили в газовых облаках различные молекулы, которые химики относят к органическим: молекулы спирта, муравьиной кислоты, синильной кислоты, эфира. От этих простых органических молекул, конечно, еще далеко до сложных молекул, которые составляют основу того, что мы называем жизнью. Будем все же считать, что всюду, где может возникнуть жизнь, она действительно возникает. В таком случае в нашей Галактике имеется миллион планет, на которых существует жизнь, длящаяся, по предположению, четыре миллиарда лет. Конечно, жизнь на разных планетах будет находиться на разных ступенях развития.

Как долго может существовать цивилизация?

Для нас, естественно, обитаемые планеты представляют интерес лишь в том случае, если мы можем каким-либо образом связаться с ними, а единственной такой возможностью являются радиосигналы. Можно спросить, сколько планет из миллиона в нашей Галактике обладают техническими возможностями посылать радиосигналы. Если планета посылала радиосигналы все время, пока на ней существует жизнь, то таких планет был бы, конечно, миллион. Но сине-зеленые водоросли не посылают радиосигналов; отпадают и те обитатели, которые какой-нибудь атомной бомбой разрушили и свою технику, и, скорее всего, себя. Тогда остается лишь малая доля от общего числа, которая определяется отношением времени, в течение которого цивилизация способна посылать радиосигналы, к общему времени существования жизни на планете.

Вот здесь не может быть никакой определенности! Мы можем основываться лишь на опыте своей собственной цивилизации. Всего несколько десятилетий мы имеем возможность посылать радиосигналы в космос. И почти одновременно с этим мы создали средства массового уничтожения, способные одним ударом уничтожить все живое на нашей планете. Будут ли они когда-нибудь применены? Или техническая цивилизация имеет возможность всего несколько десятков лет посылать в космос сигналы, прежде чем сама уничтожит себя?

К тому же мы еще не начали посылать сигналы в космос. Нет научной программы, по которой во Вселенную регулярно и целенаправленно велись бы радиопередачи. Но будем оптимистами: предположим, что цивилизация в состоянии решить свои проблемы. Предположим, что миллион лет мы будем жить в мире и благополучии и сможем позволить себе роскошь и удовольствие все это время посылать во Вселенную мощные радиосигналы. Это будет означать, что из миллиона обитаемых планет посылать радиосигналы будет доля, равная 1 миллион лет/ 4 миллиарда лет, т. е. в данный момент сигналы будут посылать 250 планет в нашей Галактике. Примем далеее, что эти планеты равномерно распределены по всей Галактике, тогда среднее расстояние между двумя такими цивилизациями составит 4600 световых лет. 4600 лет будет идти наш сигнал, прежде чем будет принят другой цивилизацией, и ответ сможет прийти к нам лишь через 9200 лет. Из всего этого ясно, что было почти бессмысленно прислушиваться к таким близким звездам, как Тау Кита и Эпсилон Эридана: вероятность того, что у них есть планеты, с которых посылают радиосигналы, ничтожна. Смысл имело бы лишь искать сигналы от всех солнцеподобных одиночных звезд, находящихся ближе 4600 световых лет он нас.

Со времен вавилонского столпотворения прошло меньше 4000 лет. Если цивилизация существует и посылает радиосигналы лишь в течение такого времени, то из миллиона обитаемых планет посылать радиосигналы будет лишь доля, равная 4000 лет/ 4 миллиарда лет или всего одна планета. Это значит, что в данный момент во всей Галактике может быть, кроме нашей, лишь еще одна цивилизация, способная посылать радиосигналы. Если же принять время существования цивилизации равным 1000 лет или меньше, то тщетно мы будем прощупывать Галактику своими радиотелескопами.

Проведенный нами подсчет числа планет, от которых могут идти радиосигналы, основан на многих допущениях. Я и не пытался определить это число как можно точнее: мне нужно было лишь показать, какие факторы играют при этом роль. И в этой игре обнаружилось, что самая большая неопределенность возникает из-за того, что мы не знаем, сколько времени может существовать технически развитая цивилизация. Как долго может продержаться цивилизация после того, как ей удастся осуществить первую радиопередачу? Просуществует ли она еще сто лет? Может ли она сохраниться вопреки своим техническим достижениям или же, наоборот, продлить свою жизнь именно благодаря своей технике?

Начав с вопроса о том, существует ли другая жизнь в нашем Млечном Пути, мы вернулись к тому, как нам на Земле сохранить свою цивилизацию.

Приложение А

Скорость движения звезд

Наши знания о Вселенной были бы куда скуднее, не будь спектрального анализа. Без него мы ничего не знали бы о химическом составе звезд и очень мало об их движении. Как это делается, замечательно рассказал Карл Шайферс. Здесь я сделаю упор прежде всего на то, как с помощью звездных спектров можно определить, с какой скоростью звезда движется вдоль луча зрения, т. е. по направлению к нам или от нас. Компонента скорости звезды вдоль направления луча зрения называется радиальной или лучевой скоростью. Эффект, позволяющий определить эту скорость, назван эффектом Доплера по имени австрийского физика Христиана Доплера (1803–1853).

Если направить луч света от звезды на стеклянную призму, луч преломляется, причем величина угла преломления зависит от частоты света: синий свет, имеющий более высокую частоту, преломляется сильнее, чем красный с более низкой частотой. Если поставить призму перед объективом фотоаппарата, то вместо точечного изображения звезды мы получим на снимке линию: спектр звезды. Почернение пленки в различных точках этого следа обусловлено светом, имеющим разную частоту. В принципе современные спектрографы, которыми пользуются астрономы, действуют точно как же. В этих спектрографах свет от слабых звезд, сконцентрированный большими телескопами, определенным образом обрабатывается, прежде чем попадает на призму. Вместо призм часто используются другие устройства, в которых свет с различной частотой (т. е. разного «цвета») отклоняется по-разному. Если в нашем фотоаппарате спектр представлял собой узкую линию, то спектрограф растягивает спектр в полоску, чтобы легче было изучать его особенности (рис. А.1). Ценность звездных спектров объясняется тем, что атомы в атмосфере звезды поглощают свет на вполне определенных частотах. Эти частоты отсутствуют в спектре: на полоске, полученной с помощью спектрографа, имеются «линии», соответствующие определенным частотам в тех местах, где на фотопленку не попадает свет. Свет, имеющий эти частоты, поглощен атомами звездной атмосферы; соответственно темные линии в спектре называют линиями поглощения. Каждому элементу соответствует вполне определенный характерный набор линий поглощения, так что по спектру звезды можно определить химический состав ее атмосферы. Так проводится химический анализ звезд; высокого мастерства в этом достигли в школе Альберта Унзёльда в Киле. Все, что говорится в данной книге о химическом составе атмосфер звезд и межзвездного газа, основано на результатах спектральных измерений. Этим методом был установлен дефицит дейтерия у Солнца и недостаток лития. Но остановимся на этом и перейдем к эффекту Доплера.

Рис. А.1. Спектр звезды 41 Лебедя, полученный Вальтраутом Зайтером из Мюнстерского университета. Фиолетовый конец спектра слева, красный — справа; частота излучения соответственно уменьшается слева направо. Темные линии соответствуют линиям поглощения различных атомов. Две примерно одинаковые линии слева от центра, обозначенные Н и К, принадлежат атому кальция. Эти же линии можно видеть на рис. А.2.

Свет-это электромагнитная волна. В любой точке пространства, через которую проходит световой луч, напряженность электрического поля совершает периодические колебания. Максимум и минимум напряженности бегут в пространстве со скоростью света. Если источник излучает свет определенной частоты, то мы будем принимать его в точности на этой частоте лишь в том случае, когда расстояние между источником и приемником не изменяется. Если же источник движется по направлению к нам, то каждый следующий максимум проходит немного меньший путь, чем предыдущий. Поэтому волновые максимумы приходят к нам чуть чаще, чем их посылает источник. Свет от источника, движущегося по направлению к нам, кажется немного более высокочастотным (т. е. более «голубым»), чем свет от того же источника, когда он неподвижен. Наоборот, свет от источника, который удаляется от нас, кажется более низкочастотным (т. е. более «красным»), чем свет от такого же источника в лаборатории. Это, собственно, тот же эффект, который иллюстрируется на рис. 10.5, где интервал между принимаемыми рентгеновскими вспышками зависит от того, движется источник при своем обращении по орбите по направлению к нам или от нас.

Доплеровский сдвиг особенно хорошо заметен в спектрах звезд (рис. А.2). Чтобы измерить его, лучше всего сравнить спектр звезды с полученным в лаборатории на том же спектрографе спектром поглощения вещества и посмотреть, находятся ли линии поглощения отдельных элементов в звездном спектре там, где они должны быть, или же они смещены. Из этого легко рассчитать, с какой лучевой скоростью движется звезда.

Рис. А.2. Доплеровский спектральный сдвиг. Спектр излучения звезды (а). Сдвиг спектральных линий в случае, когда звезда движется по направлению к нам (б). Все линии смещаются влево к фиолетовому краю спектра, в область более высоких частот. Сдвиг спектральных линий в случае, когда звезда удаляется от нас (в). Все линии смещены к красному краю спектра. Направления доплеровского сдвига частоты указаны стрелками.

Особенно важны измерения лучевой скорости для тесных двойных систем. Звезда, обращающаяся вокруг другой звезды, в течение одного оборота движется сначала по направлению к нам, а затем от нас, если только мы смотрим не строго перпендикулярно к плоскости ее орбиты. Это периодическое изменение скорости может быть измерено с помощью спектров и затем использовано для определения масс звезд, как описано в приложении В. О многих звездах мы знаем, что они двойные, а не одиночные, именно благодаря доплеровскому сдвигу линий в их спектрах. Они находятся так далеко от нас в пространстве и расположены так близко одна к другой, что с помощью телескопа различить звездную пару невозможно. Но даже если они при обращении не затмевают друг друга, мы можем установить по периодическому смещению линий в их спектрах, что здесь две звезды обращаются одна вокруг другой.

Приложение Б

Как измеряют Вселенную

Мы мало что могли бы сказать о звездах, если бы не знали, на каком расстоянии от нас они находятся. Неприметная светящаяся точка в небе может быть «звездой», которая имеет меньше метра в диаметре, находится недалеко от Земли и не излучает своего света, а лишь отражает солнечный. Но она может быть и небесным телом, которое излучает столько же света, сколько целая галактика, но находится так далеко от нас во Вселенной, что расстояние не дает нам почувствовать всю силу его сияния. Очень трудно от прямых измерений расстояний на Земле перейти к измерению расстояний во Вселенной.

Сегодня, в век электроники, измерения в нашей Солнечной системе не составляют проблем. На Венеру направляют радиолокатор, а потом используют закон, открытый Иоганном Кеплером еще к началу Тридцатилетней войны — так называемый третий закон Кеплера. Он устанавливает связь между периодом обращения планет вокруг Солнца и радиусами их орбит. Согласно закону Кеплера, для двух планет А и В (например, Венеры и Земли), справедливо соотношение

(период обращения А)2 х (радиус орбиты В)3 = (период обращения В)2 х (радиус орбиты А)3.

Периоды обращения планет могут быть непосредственно измерены (для Земли 365,26 суток, для Венеры 224,70 суток), так что вышеприведенное соотношение устанавливает связь между радиусами двух орбит.

Отраженный от Венеры сигнал радиолокатора принимается на Земле, и по времени, прошедшему от момента посылки до приема сигнала, движущегося со скоростью света, определяют расстояние от Земли до Венеры, т. е. разность радиусов их орбит. Теперь у нас есть два уравнения для двух неизвестных (радиусов орбит Земли и Венеры) которые легко решить.

Следующий шаг-это переход от нашей Солнечной системы к звездам. Для этого астрономы пользуются методом параллаксов, который, как указывалось в гл. 4, был предложен еще Галилео Галилеем, но впервые успешно применен только в 1838 г. Фридрихом Вильгельмом Бесселем для определения расстояния до звезды 61 Лебедя Вследствие годичного обращения Земли вокруг Солнца направление, в котором мы видим ту или иную ближнюю звезду на небе, в течение года меняется. Это схематически представлено на рис. Б.1. Длину линии, связывающей положения Земли 1 января и 1 июля, мы знаем: это удвоенный радиус орбиты Земли. Углы между плоскостью орбиты и направлением на звезду можно измерить, наблюдая звезду в указанные два дня. Таким образом, в показанном на рисунке треугольнике нам известны сторона и два угла; зная три элемента треугольника, можно вычислить все остальные — этому мы научились еще в школе. Можно, стало быть, вычислить расстояния от Земли до звезды 1 января и 1 июля. Во всех практических случаях звезда находится так далеко, что небольшим различием между этими расстояниями пренебрегают.

Рис. Б. 1. Метод параллаксов. Расстояние АВ равно удвоенному расстоянию от Земли до Солнца, определенному методом радиолокации Венеры. Углы при А и В можно измерить 1 января и 1 июля-таким образом становятся известны три элемента треугольника ABC- определение искомых двух сторон представляет собой несложную школьную задачу.

Так можно узнать расстояние до звезды от нашей Солнечной системы. Описанный метод позволяет измерять расстояния до 300 световых лет. В частности, расстояния до всех звезд, показанных на диаграмме Г-Р на рис. 2.2 для звезд, ближайших к Солнцу, определены методом параллаксов. Для звезд, которые находятся от нас дальше во Вселенной, различия между направлениями, в которых эти звезды видны через полугодичный интервал, столь малы, что измерить их не удается. Здесь этот метод уже не работает.

Другой важный метод определения расстояний я могу описать лишь приблизительно. Он основан на том, что звезды, принадлежащие к одному скоплению, движутся все в одном направлении с одинаковыми скоростями по параллельным траекториям. Хотя их движение наблюдается как крошечное, неизмеримо малое смещение на небе, для многих скоплений удается заметить, что их параллельные траектории сходятся в одной точке, подобно тому как сходятся рельсы железной дороги в одной точке на горизонте. Эта точка говорит нам о том, в каком направлении движется та или иная группа звезд. Измерив лучевую скорость движения звезд с помощью эффекта Доплера, а также скорость, с которой эти звезды год от года смещаются относительно очень удаленных (неподвижных) звезд, можно определить расстояние до интересующего нас скопления. Задача снова сводится к решению треугольников, но здесь мы не будем вдаваться в подробности. Так было измерено расстояние до многих звездных скоплений, что позволило определить светимость звезд и их положение на диаграмме Г-Р, как рассказывалось в гл. 2.

Можно поступить и наоборот. Если звезды находятся так далеко, что ни один из описанных методов не дает результатов, то пользуются тем фактом, что менее массивные звезды лежат на главной последовательности, и, как положено, светимость каждой соответствует ее цвету. И если я смогу определить цвет звезды главной последовательности какого-либо скопления, то тут же буду знать и ее светимость. Сравнивая светимость звезды с ее блеском (яркостью, которую имеет звезда на небе), я после несложных вычислений определю расстояние до нее, а следовательно, и до звездного скопления.

То, что удалось проникнуть в космос на еще большие расстояния, почти фантастично. По причинам, которые долгое время оставались непонятными, пульсирующие звезды-цефеиды, о которых говорилось в гл. 6, обладают замечательным свойством. Между их периодом и светимостью существует однозначная связь (рис. Б.2). Период изменения блеска цефеид легко установить с помощью регулярных наблюдений, и тогда нетрудно, зная показанную на рис. Б.2 закономерность, определить их светимость, среднюю за период. А сравнивая светимость с блеском звезды, легко вычислить расстояние до нее. Цефеиды обладают очень высокой светимостью, поэтому их можно наблюдать не только в самых отдаленных уголках нашего Млечного Пути, но и среди звезд других галактик. Благодаря этому удалось определить расстояние от нашей собственной Галактики, до галактик, лежащих дальше от нас, чем Туманность Андромеды.

Рис. Б.2. Диаграмма период — светимость переменных звезд типа цефеид. У этих звезд определенному значению периода соответствует вполне определенная светимость. Поскольку период определить легко, нетрудно, зная период, вычислить и светимость звезды, усредненную за период. Зная светимость звезды и ее видимую величину (блеск), можно определить расстояние до звезды.

Приложение В

Как взвешивают звезды

Несмотря на то что современная техника подарила астрономам точнейшие измерительные устройства и позволила им применять в своих расчетах компьютеры, при определении звездных масс астрономы не продвинулись далеко от методов, восходящих еще к Иоганну Кеплеру и Исааку Ньютону, методов, которым уже триста лет. Начнем с массы Солнца. В поле силы тяжести Солнца Земля движется почти по круговой орбите. При этом она испытывает действие центробежной силы, стремящейся отбросить ее в пространство. Центробежная сила действует против притяжения Земли Солнцем — силы, которая стремится обрушить нашу планету в центр огненного солнечного шара. Земля движется точно по такой траектории, на которой эти противодействующие силы находятся в равновесии. Условие равновесия этих сил дает возможность определить силу, с которой Земля притягивается Солнцем, а, следовательно, и массу последнего по формуле

(радиус орбиты планеты)3 = (гравитационная постоянная) х (масса планеты + масса Солнца) х (период обращения планеты)2.

Значение гравитационной постоянной известно из физики. Радиус орбиты Земли определяется методом, описанным в приложении Б. Период обращения Земли вокруг Солнца равен одному году. Таким образом, наше уравнение содержит только одно неизвестное, сумму масс Земли и Солнца, и его нетрудно решить. Так как масса Земли ничтожна по сравнению с массой Солнца, эта сумма практически равна массе Солнца.

А как обстоит дело с массами других звезд? С двойными звездами, которые можно разделить с помощью телескопа (иначе говоря, которые наблюдаются в телескоп как звездная пара), можно поступить точно так же. Разница только в том, что здесь два тела обращаются относительно друг друга и массы их различаются не так сильно, как массы Земли и Солнца. Существенным становится то, чем мы пренебрегли в предыдущем случае: здесь не одно тело обращается вокруг другого, а каждое из них обращается вокруг их общего центра масс. Итак, для двух звезд — обозначим их А и В в двойной системе справедливо соотношение

(расстояние между двумя звездами)3 = (гравитационная постоянная) х (масса звезды А + масса звезды Б) х (период обращения)2,

а для расстояний от каждой звезды до центра масс

(расстояние от А до центра масс) х (масса А) = (расстояние от В до центра масс) х (масса В).

Естественно, расстояние от А до В равно сумме расстояний от каждой из звезд до общего центра масс (рис. В.1). Допустим, что мы смогли с помощью телескопа разделить две звезды и измерить их движение относительно общего центра масс. Тогда мы знаем расстояние между ними и период обращения и тотчас можем определить их суммарную массу. Из наблюдений мы определили также расстояние от каждой звезды до центра масс. Это дает нам отношение масс в соответствии со вторым уравнением. Зная сумму и отношение двух величин, легко определить каждую в отдельности. Все как будто очень просто; но этот метод предполагает, что мы смогли измерить не только расстояние между звездами, но и, более того, радиус орбиты каждой из них относительно общего центра масс. Наблюдая движение звезд, астроном имеет возможность измерять лишь расстояния. Чтобы определить истинные значения расстояний, нужно знать еще расстояние от нас до звезды.

Рис. В.1. Движение простой двойной системы. Вверху: двойная система в плане. Звезды А и В движутся по окружностям разного радиуса относительно общего центра масс 5. Внизу: то же движение в плоскости системы. Когда линия, соединяющая центры звезд, оказывается перпендикулярной к направлению наблюдения, одна звезда (В) движется к наблюдателю, а другая (А) от него. Скорости движения звезд можно определить по доплеровскому сдвигу спектральных линий, как описано в приложении А.

Поскольку для определения массы по описанному методу нужно знать расстояние до двойной системы, этот прием можно применить только для относительно близких объектов. Тем не менее именно этим способом было определено соотношение между массой и светимостью звезд главной последовательности (см. рис. 2.4).

К счастью, есть и еще один способ, для которого не нужно заниматься трудоемким определением расстояния. Он основан на том, что по звездному спектру с помощью эффекта Доплера можно определить, с какой скоростью звезда движется к нам или от нас (см. приложение А). Если, как на рис. В.1, б, мы смотрим на двойную систему сбоку и в какой-то момент линия, соединяющая эти звезды, оказалась перпендикулярна направлению наблюдения, то в этот момент одна из звезд движется точно к нам, а другая от нас, и скорость каждой из них равна длине окружности ее орбиты, деленной на период обращения:

Скорость А =2π х (расстояние от А до центра масс)/(период обращения)

Скорость В = 2π х (расстояние от В до центра масс)/ (период обращения)

Каждая из скоростей может быть измерена с помощью эффекта Доплера, а период обращения соответствует ритму изменения скоростей. Отсюда вычисляются расстояния от каждой из звезд до центра масс, и по приведенным выше уравнениям находится масса каждой из звезд.

Самое замечательное в этом методе то, что не требуется, чтобы звезды разделялись с помощью телескопа. Даже если обе звезды видны как одна точка, по спектру можно определить, что свет исходит от двух источников, и измерить скорость каждого из них.

В действительности, конечно, все сложнее. Орбиты нередко оказываются не круговыми, а эллиптическими, и в отличие от рис. В.1 мы не смотрим на систему ни точно сверху, ни точно сбоку, а как-нибудь под углом. Но принцип описанного здесь метода остается прежним.

Поскольку для звезд главной последовательности нам известна связь между массой и светимостью, можно поступить и по-другому. Если мы знаем светимость звезды и известно, что она принадлежит к главной последовательности, то по диаграмме масса — светимость сразу можно найти массу. Для тех звезд главной последовательности, у которых можно измерить лишь температуру поверхности, из диаграммы Г — Р определяется светимость, а затем из диаграммы масса — светимость находится масса. Этот метод выручает в тех случаях, когда звезда не имеет спутника, который помог бы определить ее массу.

Примечания

1

Я часто приводил в своих популярных лекциях пример с питекантропом человекообразной обезьяной с острова Ява. Однажды после лекции ко мне подошел репортер одной из известных ежедневных немецких газет и сказал, что он хочет написать статью о моем докладе. Но ему нужно этого требует название издания поместить в статье какие-нибудь иллюстрации. Репортер спросил меня, где можно найти изображение человекообразной обезьяны с острова Ява. Я сказал ему, что вообще-то моя лекция была посвящена звездам, а про питекантропа я упоминаю лишь между прочим. Поэтому если поместить в заметке только изображения этой человекообразной обезьяны с острова Ява, то может сложиться неправильное впечатление о содержании лекции. «Нужно подумать», сказал репортер. И через минуту ответил: «Тогда мы поместим еще и Вашу фотографию!»

2

Здесь и всюду в этой книге, если не оговорено, мы пользуемся абсолютной шкалой температур, нуль которой соответствует -273° Цельсия. Для перехода от абсолютной температуры к температуре по шкале Цельсия нужно отнять 273 градуса. Температура поверхности Солнца по Цельсию равна, таким образом, 5530°

3

Величины истинной (болометрической) и визуальной светимости могут различаться достаточно сильно. Так, например, звезда, масса которой в 10 раз больше солнечной (для определенности Спика), излучает примерно в 10 тысяч раз больше энергии, чем Солнце, в то время как в видимом диапазоне спектра она всего в 1000 раз ярче Солнца.

4

Точнее говоря, мы видим, где были расположены эти звезды, когда они излучали тот свет, который мы видим сегодня. Если говорить о развитии звезд нашего Млечного Пути, то время, за которое свет достигает Земли, мало по сравнению с возрастом звезд, поэтому мы не будем обращать внимания на эту разницу.

5

Намекает на ад. «Идите к дьяволу» наиболее точный русский — эквивалент. — Прим. ред.

6

Углеродный цикл называют еще и углеродно-азотным циклом. — Прим. перев

7

Реакции протон-протонной цепочки начинаются со столкновения двух протонов, а заканчивается эта цепочка тоже образованием двух протонов. Поэтому у нее есть и другое название — водородный цикл. — Прим. перев.

8

Снимок получен Д. Зольтау с помощью 40-сантиметрового вакуумного рефлектора Института физики Солнца им. Кипенхойера (Фрайбург) в Исана (о. Тенерифе).

9

В этой книге я использую расчетные данные, полученные в диссертации Курта фон Сейнбуша, выполненной в Гёттингене в 1967 г., хотя аналогичные расчеты проводились как до, так и после этой работы. В следующей главе, где рассматривается история развития Солнца, также используются данные Сейнбуша.

10

Иногда такие объекты называют звездами «нулевого возраста». — Прим. перев.

11

Первые определения расстояния до звезд были проведены В. Струве в Дерпте несколькими годами раньше. — Прим. ред.

12

Его еще называют эволюционным треком. — Прим. перев.

13

Метод регистрации солнечных нейтрино был предложен в 1946 г. академиком Б. М. Понтекорво. — Прим, перев.

14

В нашей стране он называется методом прогонки. — Прим. ред.

15

Встреча с кометой Галлея действительно произошла в 1986 г., уже после выхода в свет немецкого издания этой книги. — Прим. перев.

16

Иногда их называют соответственно хвостами II и I типов. Газовый хвост (I типа) состоит из фотоионизованных молекул, поэтому его еще называют ионным. — Прим. перев.

17

Э. Гартвиг был тогда профессором Дерптского (ныне Тартуского) университета. — Прим. перев.

18

Другую часть своего состояния, завещанного городу Бамбергу, Карл Ремайз предназначил для социального обеспечения женщин, не вышедших замуж. Однако вскоре разразилась первая мировая война, и все денежные средства, оставленные Карлом Ремайзом, обесценились в результате инфляции — за исключением денег, уже вложенных в здания, инструменты и книги обсерватории. Поэтому город Бамберг не смог исполнить вторую часть завещания Ремайза. Но, по-видимому, глубоко в подсознании юных астрономов, работавших в Бамберге (а я тоже провел там 6 лет моей жизни), сохранялось чувство вины за то, что они пользуются обсерваторией, построенной по первой части завещания Ремайза, в то время как город не может выполнить вторую часть его воли. Поэтому, наверное, многие из них потом женились на девушках из Бамберга, помогая полностью исполнить завещание.

19

Может показаться несправедливым, что из всех астрономов нового времени вспышку сверхновой довелось наблюдать только Тихо Браге и Иоганну Кеплеру. Они и без того совершили много важных открытий, которые сейчас изучают в школьном курсе астрономии. И вдобавок к этому каждому из них выпала удача наблюдать взрыв сверхновой, в то время как позже целые поколения астрономов надеялись увидеть такое небесное явление, которое бы обессмертило их имя.

(Речь идет, конечно же, об открытии Сверхновой в нашей Галактике: в других галактиках ежегодно обнаруживают до двадцати сверхновых звезд. Прим. перев.)

20

Позднее я узнал, что Ибн Бутлар, врач из Константинополя связал небесное явление с эпидемией, унесшей в 1054 году 1500 жизней. Явление наблюдалось на небе там, где сейчас находится Крабовидная туманность. Таким образом, Сверхновую заметили и в Европе!

21

В этом случае расстояние между соседними импульсами изменялось бы сообразно с периодом обращения планеты, поскольку расстояние до радиоисточника было бы непостоянным. Этот эффект аналогичен проиллюстрированному на рис. 10.5.

22

Китт-Пикская обсерватория расположена в 70 км от г. Тусон

23

После открытия миллисекундных радиопульсаров его место 5–6. — Прим. ред.

24

В ноябре 1982 г. астрономическая общественность была взбудоражена сообщением о том, что пять астрономов с помощью радиотелескопа в Пуэрто-Рико открыли пульсар, который побил рекорд пульсара в Крабовидной туманности. Каждую секунду он посылает 642 импульса. Это означает, что нейтронная звезда вращается со скоростью более 600 оборотов в секунду. Соответственно гравитация на поверхности должна быть очень велика, чтобы звезду не разорвали центробежные силы. Позднее были открыты и другие «миллисекундные» пульсары.

25

С мая 1983 г. рентгеновский источник Геркулес Х-1 не принимается. Яркость же звезды Хоффмейстера HZ Геркулеса изменяется, как и прежде. Это говорит о том, что рентгеновский источник по-прежнему активен, но его излучение больше не доходит до нас.

26

Мечтать о взрыве сверхновой где-нибудь поблизости не очень разумно. Согласно Мелвину Рудерману из Колумбийского университета в Нью-Йорке, человечеству придется плохо, если взрыв сверхновой произойдет на расстоянии ближе 30 световых лет от нас. Космические лучи высокой энергии разрушат озонный щит в нашей атмосфере, ультрафиолетовое излучение Солнца перестанет задерживаться атмосферой и погубит все живое на Земле.

27

За свои работы по теории белых карликов Чандрасекар в 1983 г. удостоен Нобелевской премии по физике.

28

Этот процесс называют гравитационным коллапсом.

29

Эти соображения принадлежат Исааку Ньютону! И Джине в своей книге цитирует его. — Прим. Ред.

Content

Рудольф Киппенхан
100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд

Предисловие редактора перевода

Предисловие автора к русскому изданию

Предисловие

Введение

Глава 1 Долгая жизнь звезд

Что служит источником энергии Солнца?

Атомная энергия Солнца и звезд

Звезды стареют

Спутник Сириуса

Красный сверхгигант в созвездии Возничего

Глава 2 Самая важная диаграмма в астрофизике

Количественные характеристики звезд

Диаграмма Герцшпрунга и Рессела

Ближайшие соседи Солнца

Звездные скопления — «школьные классы» небесных светил

Возраст звездных скоплений

Глава 3 Звезды-ядерные реакторы

Строение атома

Артур Эддингтон и источник энергии звезд

Георгий Гамов и его туннельный эффект

Туннельный эффект в звездах

Углеродный цикл

Протон-протонная цепочка

Возникновение более тяжелых элементов

Глава 4 Звезды и модели их строения

Сила тяжести и давление газа

Выделение и перенос энергии

Бурлящее звездное вещество

Компьютерная модель звезды

Модель «молодого» Солнца

Численная модель позволяет построить «молодую» главную последовательность

Строение Спики (Альфы Девы)

Красный карлик в созвездии Лебедя

Свойства «молодой» главной последовательности

Глава 5 История жизни Солнца

От «молодого» Солнца к современному

Почему на Солнце нет дейтерия?

Почему на Солнце мало лития?

1955 г. — прорыв в область красных гигантов

Что произойдет в будущем с нашим Солнцем?

Нейтрино, образующиеся на Солнце

Нейтринный эксперимент Раймонда Девиса

Эксперимент с галлием

Глава 6 Путь развития тяжелых звезд

Луи Хеней и его метод

История звезды с массой в 7 раз больше солнечной

Пути развития звезд и диаграмма Г-Р для звездного скопления

Пульсирующие звезды

Термодинамическая модель для переменных звезд (цефеид)

Новый подход Жевакина к старой идее

Глава 7 Звезды на поздних стадиях развития

Нейтринное охлаждение; периодическое изменение интенсивности ядерных реакций

Белый карлик в недрах красного гиганта

Дальнейшая судьба Солнца

Петр Апиан, Людвиг Бирман и кометы

Звезды на поздних стадиях развития теряют массу

Освобождение белого карлика

Звезда Гартвига в Туманности Андромеды

Крабовидная туманность и Сверхновая из китайских и японских хроник

Судьба вещества, оказавшегося в межзвездном пространстве

Глава 8 Пульсары, которые не пульсируют

Новый радиотелескоп в Кембридже

Рассказывает Джоселин Белл

Пульсары имеют малые размеры

Можно ли увидеть пульсары?

Пульсар в Крабовидной туманности — видимая звезда

Что такое пульсар?

Томас Голд объясняет пульсары

Вопросы, на которые нет ответов

Глава 9 Когда звезда у звезды крадет массу

Алголь, Голова дьявола

Сложные взаимодействия в двойных звездах

Парадоксы Алголя и Сириуса

Двойные звезды в компьютере

История первой звездной пары: возникновение полуразделенной системы

История второй звездной пары: возникновение белого карлика

Новая в созвездии Лебедя 29 августа 1975 года

Новая 1934 года

Ядерные взрывы в двойных звездных системах

Глава 10 Рентгеновские звезды

Спутник «Ухуру»

Рентгеновская звезда в созвездии Геркулеса

Источник Геркулес Х-1 обнаружен

Рентгеновские звезды малы

История рентгеновского источника

Как возникают импульсы?

Изменение магнитного поля нейтронной звезды

Рентгеновские ливни

Глава 11 Конец звезды

«Железная катастрофа» массивных звезд

Мысленный эксперимент с белым карликом

Мысленный эксперимент с нейтронной звездой

Черные дыры

Глава 12 Как рождаются звезды

Звезды рождаются и сегодня

Компьютерная модель рождения звезд

Рождение звезд в природе

Момент импульса и коллапсирующие облака

История Млечного Пути, восстановленная по следам

Кто командует образованием звезд?

Спиральные рукава: что это такое?

Образование звезд в галактике в созвездии Гончих Псов

Глава 13 Планеты и их обитатели

Моделирование образования планет на ЭВМ

Возникновение двойной звездной системы

Одиноки ли мы?

Проект ОЗМА и послание из Аресибо

Долгая дорога жизни

Миллион обитаемых планет в нашей Галактике?

Как долго может существовать цивилизация?

Приложение А Скорость движения звезд

Приложение Б Как измеряют Вселенную

Приложение В Как взвешивают звезды

Примечания