Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Три разные нейтринные обсерватории зафиксировали одновременные нейтринные вспышки Сверхновой 1987A, свет от которой достиг нашей планеты 23 февраля 1987 года. Нейтрино настолько трудно обнаружить, что эти три мощных прибора выявили в общей сложности всего 25 штук за 13 секунд – и это из почти 300 триллионов (3 × 1014) нейтрино, «вылившихся» за эти 13 секунд на каждый квадратный метр поверхности Земли, повернутой к сверхновой. Изначально она выбросила порядка 1058 нейтрино, то есть почти невообразимое количество, но из-за ее значительной удаленности (около 170 тысяч световых лет) от нашей планеты ее достигли «всего» около 4 × 1028 нейтрино, то есть на 30 порядков меньше. Более чем 99,9999999 % из них свободно прошли прямо сквозь Землю; чтобы остановить половину этих нейтрино, потребовался бы брусок свинца длиной в световой год (около 1013 километров).

Звезда-прародитель Сверхновой 1987А сбросила оболочку газа около двадцати тысяч лет назад, в результате чего вокруг нее появились кольца, которые оставались невидимыми еще почти восемь месяцев после вспышки сверхновой. Скорость выбрасываемого газа была относительно невысокой, около 8 километров в секунду, но за прошедшие годы радиус оболочки достиг расстояния около двух третей светового года, приблизительно восьми световых месяцев.

Итак, сверхновая взорвалась, а восемь месяцев спустя ультрафиолетовый свет от этого взрыва (двигаясь, конечно же, со скоростью света) догнал кольцо материи и, так сказать, включил его – и оно начало излучать видимый свет.

Но есть еще кое-что интересное, что связано с рентгеновским излучением. Газ, извергнутый сверхновой во время вспышки, распространялся со скоростью примерно 20 тысяч километров в секунду, то есть почти в 15 раз медленнее скорости света. Поскольку нам было известно, как далеко находилось кольцо к этому времени, мы могли прогнозировать, когда приблизительно исторгнутая материя достигнет его; это произошло чуть более чем через одиннадцать лет, породив рентгеновское излучение. Конечно, нельзя забывать, что хотя мы говорим об этом так, будто все случилось в последние несколько десятилетий, на самом деле, так как SN 1987A находится в Большом Магеллановом Облаке, начало этого процесса имело место около 170 тысяч лет назад.

До сегодняшнего дня нейтронная звезда в остатке SN 1987A не обнаружена. Некоторые астрофизики считают, что во время коллапса ядра после первоначального образования нейтронной звезды сформировалась черная дыра. В 1990 году я заключил пари со Стэном Вусли из Калифорнийского университета в городе Санта-Круз, одним из мировых экспертов по сверхновым. Мы поспорили о том, будет ли нейтронная звезда найдена в течение ближайших пяти лет. В итоге я проиграл Стэну сотню.

В результате этих замечательных явлений происходят и другие удивительные вещи. В супергорячем реакторе сверхновой ядерный синтез высшего порядка сталкивает ядра друг с другом, и создаются элементы, гораздо более тяжелые, чем железо, которые в конечном итоге превращаются в газовые облака, а те со временем сливаются и образуют новые звезды и планеты. Мы все, и люди, и животные, сделаны из элементов, изначально состряпанных в звездах. Без этих звездных печей для обжига и без этих невероятно мощных взрывов, первым из которых был, безусловно, Большой взрыв, мы никогда не имели бы того богатства химических элементов, которое представлено в периодической таблице. Судя по всему, мы можем сравнить сверхновую с коллапсом ядра с чем-то вроде небесного лесного пожара (маленького, конечно же), который, сжигая одну звезду, создает условия для рождения новых звезд и планет.

По любым меркам, нейтронные звезды представляют собой поистине потрясающие, экстремальные небесные тела. Их размер – всего десятка полтора километров от края до края (меньше некоторых астероидов, вращающихся на орбите между Марсом и Юпитером), в сотни тысяч раз меньше Солнца, и при этом они в 300 триллионов (3 × 1014) раз плотнее его средней плотности. Чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы на Земле 100 миллионов тонн.

В нейтронных звездах мне, помимо всего прочего, очень нравится то, что, просто произнося их название, ты соединяешь две крайности физики, крошечное и огромное, нечто настолько маленькое, что мы никогда не сможем увидеть, но при этом такое плотное, что, для того чтобы представить это, потребуется напрячь воображение.

А еще нейтронные звезды вращаются, причем некоторые с поразительной скоростью – особенно сразу после появления на свет. Почему? По той же причине, по которой фигуристка, вращаясь с раскинутыми руками, начинает вращаться быстрее, если прижмет их к телу. Описывая это явление, физики говорят, что момент импульса сохраняется. Детальное объяснение физической природы момента импульса несколько сложное, но саму идею понять нетрудно.

Какое отношение все это имеет к нейтронным звездам? А вот какое: каждый объект во Вселенной вращается. Так что звезда, которая коллапсирует в нейтронную звезду, тоже вращалась. В результате взрыва она сбросила большую часть своего вещества, но осталась с массой, равной одной-двум солнечным массам, теперь сосредоточенной в объекте в несколько тысяч раз меньшем размера ядра до распада. Поскольку момент импульса сохраняется, частота вращения нейтронных звезд возрастает по меньшей мере в миллион раз.

Первые две нейтронные звезды, открытые Джоселин Белл (см. ниже), обращаются вокруг своих осей, делая один оборот примерно за 1,3 секунды. Нейтронная звезда в Крабовидной туманности делает около тридцати оборотов в секунду, а самая быстрая из всех до сих пор обнаруженных нейтронных звезд вращается с поистине потрясающей скоростью – 716 оборотов в секунду! Это означает, что скорость движения точки на ее экваторе составляет около 15 процентов от скорости света!

Благодаря тому, что все нейтронные звезды вращаются и многие из них имеют сильные магнитные поля, появляются пульсары – сокращение от «пульсирующих звезд». Пульсары представляют собой нейтронные звезды, испускающие пучки радиоволн со своих магнитных полюсов, которые, как и в случае с Землей, заметно отличаются от географических полюсов – точек на концах оси, вокруг которой вращается звезда. Пока звезда вращается, пучки электромагнитного излучения пульсара носятся по небу. С точки зрения наблюдателя, находящегося на пути такого пучка, звезда испускает импульсы излучения через регулярные промежутки времени, и он видит луч только короткое время. Астрономы иногда называют это эффектом маяка, что вполне понятно. Нам известно с полдесятка одиночных нейтронных звезд – не путать с нейтронными звездами в двойных системах! – пульсирующих в чрезвычайно большом диапазоне электромагнитного спектра, включающем радиоволны, видимый свет, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Один из них – пульсар в Крабовидной туманности.

Джоселин Белл открыла первый пульсар в 1967 году, будучи аспиранткой Кембриджского университета. Она и ее руководитель Энтони Хьюиш сначала не знали, как объяснить регулярность пульсаций, которые длились всего около 0,04 секунды с промежутком в 1,3373 секунды (сейчас это называется периодом пульсара). Сначала они назвали пульсар LGM-1 (аббревиатура от Little Green Men – маленькие зеленые человечки), намекая на то, что регулярная пульсация может быть результатом деятельности внеземной цивилизации. Вскоре Белл обнаружила второй LGM с периодом около 1,2 секунды, и тут уже стало ясно, что это не происки инопланетян. С какой стати две совершенно разные внеземные цивилизации стали бы посылать на Землю сигналы с примерно одинаковой периодичностью? Вскоре после того, как Белл и Хьюиш опубликовали результаты своих исследований, Томас Голд из Корнельского университета сделал вывод, что пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды.

Черные дыры

Я же обещал вам, что мы о них поговорим. Вот теперь самое время. Я понимаю, почему некоторые люди боятся этих странных объектов – если провести немного времени на YouTube, вы увидите десятки «воссозданий» того, как могут выглядеть черные дыры, и большинство из них оказываются в категории «звезд смерти» или «звезд-пожирателей». В воображении неосведомленного человека черные дыры – это сверхмощные космические воронки, втягивающие в себя всех и вся.

Однако представление о том, что сверхмассивная черная дыра поглощает все, что находится в пределах ее досягаемости, – абсолютное заблуждение. Все виды небесных тел, главным образом звезды, вращаются на орбите черной дыры с массой звезды или даже сверхмассивной черной дыры с завидной стабильностью. В противном случае Млечный Путь давно бы исчез в огромной черной дыре массой четырех миллионов солнц, находящейся в его центре.

Что же это такое, черные дыры? Когда масса нейтронной звезды достигает примерно трех солнечных масс, гравитационное притяжение может привести к ее коллапсу с образованием черной дыры. Если масса исходной одиночной звезды с выгоревшим ядром в 25 раз превышает массу Солнца, при коллапсе ядра материя продолжит разрушаться, а не остановится на стадии нейтронной звезды. И что же получится в итоге? Правильно, черная дыра.