| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Астрономия
| |||||
От белых карликов до черных дыр (2-я часть) |
Начало статьи (1-я часть): "ЖИЗНЬ ЗВЕЗДЫ"
Звезды, у которых масса в 1,5-3 раза больше, чем у Солнца не смогут в конце жизни остановить
свое сжатие на стадии белого карлика. Мощные силы гравитации сожмут их до такой плотности, при которой произойдет
'нейтрализация' вещества: взаимодействие электронов с протонами приведет к тому, что почти вся масса звезды будет заключена
в нейтронах. Образуется нейтронная звезда. Наиболее массивные звезды могут обраться в нейтронные, после того как они
взорвутся как сверхновые. Концепция нейтронных звезд не нова: первое предположение о возможности их существования было
сделано талантливыми астрономами Фрицем Цвикки и Вальтером Баарде из Калифорнии в 1934г. (несколько раньше в 1932г.
возможность существования нейтронных звезд была предсказана известным советским ученым Л. Д. Ландау.) В конце 30-х годов
она стала предметом исследований других американских ученых Оппенгеймера и Волкова. Интерес этих физиков к данной проблеме
был вызван стремлением определить конечную стадию эволюции массивной сжи- мающейся звезды. Так как роль и значение
сверхновых вскрылись примерно в то же время, было высказано предположение, что нейтронная звезда может оказаться остатком
взрыва сверхновой. К несчастью, с началом второй мировой войны внимание ученых переключилось на военные нужды и детальное
изучение этих новых и в высшей степени загадочных объектов было приостановлено. Затем, в 50-х годах, изучение нейтронных
звезд возобновили чисто теоретически с целью установить, имеют ли они отношение к проблеме рождения химических элементов
в центральных областях звезд. Нейтронные звезды остаются единственным астрофизическим объектом, существование и свойства
которых были предсказаны задолго до их открытия. В начале 60-х годов открытие космических источников рентгеновского
излучения весьма обнадежило тех, кто рассматривал нейтронные звезды как возможные источники небесного рентгеновского
излучения. К концу 1967г. был обнаружен новый класс небесных объектов - пульсары, что привело ученых в замешательство.
Это открытие явилось наиболее важным событием в изучении нейтронных звезд, так как оно вновь подняло вопрос о происхождении
космического рентгеновского излучения. Говоря о нейтронных звездах, следует учитывать, что их физические характеристики
установлены теоретически и весьма гипотетичны, так как физические условия, существующие в этих телах, не могут быть
воспроизведены в лабораторных экспериментах.
Решающее значение на свойства нейтронных звезд оказывают гравитационные силы. По различным оценкам, диаметры нейтронных звезд составляют 10-200 км. И этот незначительный по космическим понятиям объем 'набит' таким количеством вещества, которое может составить небесное тело, подобное Солнцу, диаметром около 1,5 млн. км, а по массе почти в треть миллиона раз тяжелее Земли ! Естественное следствие такой концентрации вещества - невероятно высокая плотность нейтронной звезды. Фактически она оказывается настолько плотной, что может быть даже твердой. Сила тяжести нейтронной звезды столь велика, что человек весил бы там около миллиона тонн. Расчеты показывают, что нейтронные звезды сильно намагничены. Согласно оценкам, магнитное поле нейтронной звезды может достигать 1млн. млн. гаусс, тогда как на Земле оно составляет 1 гаусс. Радиус нейтронной звезды принимается порядка 15 км, а масса - около 0,6 - 0,7 массы Солнца. Наружный слой представляет собой магнитосферу, состоящую из разреженной электронной и ядерной плазмы, которая пронизана мощным магнитным полем звезды. Именно здесь зарождаются радиосигналы, которые являются отличительным признаком пульсаров. Сверхбыстрые заряженные частицы, двигаясь по спиралям вдоль магнитных силовых линий, дают начало разного рода излучениям. В одних случаях возникает излучение в радиодиапазоне электромагнитного спектра, в иных - излучение на высоких частотах. Почти сразу же под магнитосферой плотность вещества достигает 1 т/см3, что в 100 000 раз больше плотности железа.
Следующий за наружным слой имеет характеристики металла. Этот слой 'сверхтвердого' вещества, находящегося в кристаллической форме. Кристаллы состоят из ядер атомов с атомной массой 26 - 39 и 58 - 133. Эти кристаллы чрезвычайно малы: чтобы покрыть расстояние в 1 см, нужно выстроить в одну линию около 10 млрд. кристалликов. Плотность в этом слое более чем в 1 млн. раз выше, чем в наружном, или иначе, в 400 млрд. раз превышает плотность железа. Двигаясь дальше к центру звезды, мы пересекаем третий слой. Он включает в себя область тяжелых ядер типа кадмия, но также богат нейтронами и электронами. Плотность третьего слоя в 1 000 раз больше, чем предыдущего. Глубже проникая в нейтронную звезду, мы достигаем четвертого слоя, плотность при этом возрастает незначительно - примерно в пять раз. Тем не менее при такой плотности ядра уже не могут поддерживать свою физическую целостность: они распадаются на нейтроны, протоны и электроны. Большая часть вещества пребывает в виде нейтронов. На каждый электрон и протон приходится по 8 нейтронов. Этот слой, по существу, можно рассматривать как нейтронную жидкость, 'загрязненную' электронами и протонами. Ниже этого слоя находится ядро нейтронной звезды. Здесь плотность примерно в 1,5 раза больше, чем в вышележащем слое. И тем не менее даже такое небольшое увеличение плотности приводит к тому, что частицы в ядре движутся много быстрее, чем в любом другом слое. Кинетическая энергия движения нейтронов, смешанных с небольшим количеством протонов и электронов, столь велика, что постоянно происходят неупругие столкновения частиц. В процессах столкновения рождаются все известные в ядерной физике частицы и резонансы, которых насчитывается более тысячи. По всей вероятности, присутствует большое число еще не известных нам частиц. Температуры нейтронных звезд сравнительно высоки. Этого и следует ожидать, если учесть, как они возникают. За первые 10 - 100 тыс. лет существования звезды температура ядра уменьшается до нескольких сотен миллионов градусов. Затем наступает новая фаза, когда температура ядра звезды медленно уменьшается вследствие испускания электромагнитного излучения. Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после взрыва, все еще превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое внутреннее сопротивление сжатию. Ученые полагают, что именно в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению черной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для массивной звезды остается один неизбежный путь - путь всеобщего и полного сжатия (коллапса), превращающего ее в невидимую черную дыру. В 1939г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Калифорнийском университете (Беркли) занимались выяснением окончательной судьбы большой массы холодного вещества. Одним из наиболее впечатляющих следствий общей теории относительности Эйнштейна оказалось следующее: когда большая масса начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса сжимается в черную дыру. Если, например, невращающаяся симметричная звезда начинает сжиматься до критического размера, известного как гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда (назван так в честь Карла Шварцшильда, которой первым указал на его существование). Если звезда достигает этого радиуса, то уже не что не может воспрепятствовать ей завершить коллапс, то есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен гравитационный радиус ? Строгое математическое уравнение показывает, что для тела с массой Солнца гравитационный радиус равен почти 3 км, тогда как для системы, включающей миллиард звезд, - галактики - этот радиус оказывается равным расстоянию от Солнца до орбиты планеты Уран, то есть составляет около 3 млрд. км. Каковы же физические свойства 'черных дыр' и как ученые предполагают обнаружить эти объекты? Многие ученые раздумывали над этими вопросами; получены кое-какие ответы, которые способны помочь в поисках таких объектов. Само название - черные дыры - говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путем удалось оказаться вблизи черной дыры и направить в сторону от ее поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля черной дыры и покинуть ее поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу черной дыры. Ученые отмечают, что эти необычные объекты нелегко понять, оставаясь в рамках законов тяготения Ньютона. Вблизи поверхности черной дыры гравитация столь сильна, что привычные ньютоновские законы перестают здесь действовать. Их следует заменить законами общей теории относительности Эйнштейна. Согласно одному из трех следствий теории Эйнштейна, покидая массивное тело, свет должен испытывать красное смещение, так как он должен испытывать красное смещение, так как он теряет энергию на преодоление гравитационного поля звезды. Излучение, приходящее от плотной звезды, подобной белому карлику - спутнику Сириуса А, - лишь слегка смещается в красную область спектра. Чем плотнее звезда, тем больше это смещение, так что от сверхплотной звезды совсем не будет приходить излучения в видимой области спектра. Но если гравитационное действие звезды увеличивается в результате ее сжатия, то силы тяготения оказываются настолько велики, что свет вообще не может покинуть звезду. Таким образом, для любого наблюдателя возможность увидеть черную дыру полностью исключена ! Но тогда естественно возникает вопрос: если она невидима, то как же мы можем ее обнаружить ? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые прибегают к искусным уловкам. Руффини и Уиллер досконально изучили эту проблему и предложили несколько способов пусть не увидеть, но хотя бы обнаружить черную дыру. Начнем с того, что, когда черная дыра рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные волны, которые могли бы пересекать пространство со скоростью света и на короткое время искажать геометрию пространства вблизи Земли. Это искажение проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих одновременно на одинаковые инструменты, установленные на земной поверхности на значительных расстояниях друг от друга. Гравитационное излучение могло бы приходить от звезд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь все меньше и меньше, она будет вращаться все быстрее сохраняя свой момент количества движения. Наконец она может достигнуть такой стадии, когда скорость движения на ее экваторе приблизится к скорости света, то есть к предельно возможной скорости. В этом случае звезда оказалась бы сильно деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн с частотой порядка тысячи колебаний в секунду (1000 Гц). Дж. Вебер установил ловушки гравитационных волн в Аргоннской национальной лаборатории вблизи Чикаго и в Мэрилендском университете. Они состояли из массивных алюминиевых цилиндров, которые должны были колебаться, когда гравитационные волны достигнут Земли. Используемые Вебером детекторы гравитационного излучения реагируют на высокие (1660 Гц), так и на очень низкие (1 колебание в час) частоты. Для детектирования последней частоты используется чувствительный гравиметр, а детектором является сама Земля. Собственная частота квадрупольных колебаний Земли равна одному колебанию за 54 мин. Все эти устройства должны были срабатывать одновременно в момент, когда гравитационные волны достигнут Земли. Действительно они срабатывали одновременно. Но к сожалению, ловушки включались слишком часто - примерно раз в месяц, что выглядело весьма странно. Некоторые ученые считают, что хотя опыты Вебера и полученные им результаты интересны, но они недостаточно надежны. По этой причине многие относятся весьма скептически к идее детектирования гравитационных волн (эксперименты по детектированию гравитационных волн, аналогичные опытам Вебера, позднее были проверены в ряде других лабораторий и не подтвердили результатов Вебера. В настоящее время считается, что опыты Вебера ошибочны). Роджер Пенроуз, профессор математики Биркбекского колледжа Лондонского университета, рассмотрел любопытный случай коллапса и образования черной дыры. Он также допускает, что черная дыра исчезает, а затем проявляется в другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что рождение черной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто необычное. Исследования Пенроуза показывают, что коллапс заканчивается образованием сингулярности, то есть он должен продолжаться до нулевых размеров и бесконечной плотности объекта. Последние условие дает возможность другой вселенной приблизиться к нашей сингулярности, и не исключено, что сингулярность перейдет в эту новую вселенную. Она даже может появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной. Некоторые ученые рассматривают образование черной дыры как маленькую модель того, что, согласно предсказаниям общей теории относительности, в конечном счете может случиться со Вселенной. Общепризнано, что мы живем в неизменно расширяющейся Вселенной, и один из наиболее важных и насущных вопросов науки касается природы Вселенной, ее прошлого и будущего. Без сомнения, все современные результаты наблюдений указывают на расширение Вселенной. однако на сегодня один из самых каверзных вопросов таков: замедляется ли скорость этого расширения, и если да, то не сожмется ли Вселенная через десятки миллиардов лет, образуя сингулярность. По-видимому, когда-нибудь мы сможем выяснить, по какому пути следует Вселенная, но, быть может, много раньше, изучая информацию, которая просачивается при рождении черных дыр, и те физические законы, которые управляют их судьбой, мы сможем предсказать окончательную судьбу Вселенной. Почти всю свою жизнь звезда сохраняет температуру и размер практически постоянными. Значение главной последовательности заключается в том, что большинство обычных звезд оказываются нормальными, то есть лишенными каких-либо особенностей. Мы вправе ожидать, что эти звезды подчиняются определенным зависимостям, подобным, например, упомянутой главной последовательности. Большинство звезд оказываются на этой наклонной линии - главной последовательности, потому, что звезда может прийти на эту линию всего лишь за несколько сотен тысяч лет, а покинув ее, прожить еще несколько сотен миллионов лет, большинство звезд заведомо остается на главной последовательности в течение миллиардов лет. Рождение и смерть - ничтожно малые мгновенья в жизни звезды. Наше Солнце, являющееся обычной звездой, находится на этой последовательности уже в течение 5-6 млрд. лет и, по-видимому, проведет на ней еще столько же времени, так как звезды с такой массой и таким химическим составом, как у Солнца, живут 10-12 млрд. лет. Звезды много меньшей массы находятся на главной последовательности примерно 50 млрд. лет. Если же масса звезды в 30 раз превосходит солнечную, то время ее пребывания на главной последовательности составит всего около 1 млн. лет. Вернемся к рассмотрению процессов, происходящих при рождении звезды: она продолжает сжиматься, сжатие сопровождается возрастанием температуры. Температура ползет вверх, и вот огромный газовый шар начинает светиться, его уже можно наблюдать на фоне темного ночного неба как тусклый красноватый диск. Значительная доля энергии его излучения по-прежнему приходится на инфракрасную область спектра. Но это еще не звезда. По мере того как вещество протозвезды уплотняется, оно все быстрее падает к центру, разогревая ядро звезды до все более высоких температур. Наконец температура достигает 10 млн. К, и тогда начинают протекать термоядерные реакции - источник энергии всех звезд во Вселенной. Как только термоядерные процессы включаются в действие, космическое тело превращается в полноценную звезду. Сжимаясь, пыль и газ образуют протозвезду ; ее вещество представляет собой типичный образец вещества окружающей нас части космического пространства. Говоря об образце вещества Вселенной, мы подразумеваем, что этот кусочек межзвезной среды на 89% состоит из водорода, на 10%-из гелия; такие элементы, как кислород, азот, углерод, неон и т. п. составляют в нем менее 1%, а все металлы, вместе взятые, - не более 0,25%. Таким образом, звезда в основном состоит из тех элементов, которые чаще всего встречаются во Вселенной. И поскольку богаче всего во Вселенной представлен водород, то, конечно, любые термоядерные реакции должны протекать с его участием. Кое-где встречаются уголки космического пространства с повышенным содержанием тяжелых элементов, но это лишь местные аномалии - остатки давних звездных взрывов, разбросавших и рассеявших в окрестности тяжелые элементы. Мы не будем останавливаться на таких аномальных областях с повышенной концентрацией тяжелых элементов, а сосредоточим внимание на звездах, состоящих в основном из водорода.
Когда температура в центре протозвезды достигает 10 млн. К, начинаются сложные (но детально изученные) термоядерные реакции, в ходе которых из ядер водорода (протонов) образуются ядра гелия; каждые четыре протона, объединяясь, создают атом гелия. Сначала, когда соединяются друг с другом два протона, возникает атом тяжелого водорода, или дейтерия. Затем последний сталкивается с третьим протоном, и в результате реакции рождается легкий изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон. В сумятице, которая царит в ядре звезды, быстро движущиеся атомы легкого гелия иногда сталкиваются друг с другом, в результате чего появляется атом обычного гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Два лишних протона возвращаются обратно в горячую смесь, чтобы когда-нибудь опять вступить в реакцию, порождающую гелий. В этом процессе около 0,7% массы превращается в энергию. Описанная цепочка реакций - один из важных термоядерных циклов, протекающих в ядрах звезд при температуре около 10 млн. К. Некоторые астрономы считают, что при более низких температурах могут протекать другие реакции, в которых участвуют литий, бериллий и бор. Но они тут же делают оговорку, что если такие реакции и имеют место, то их относительный вклад в генерацию энергии незначителен. Когда температура в недрах звезды снова увеличивается, в действие вступает еще одна важная реакция, в которой в качестве катализатора участвует углерод. Начавшись с водорода и углерода-12, такая реакция приводит к образованию азота-13, который спонтанно распадается на углерод-13 - изотоп углерода, более тяжелый, чем тот, с которого реакция начиналась.Углерод-13 захватывает еще один протон, превращаясь в азот-14. Последний подобным же путем становится кислородом-15. Этот элемент также неустойчив и в результате спонтанного распада превращается в азот-15. И наконец азот-15, присоединив к себе четвертый протон, распадается на углерод-12 и гелий. Таким образом, побочным продуктом этих термоядерных реакций является углерод-12, который может вновь положить начало реакциям данного типа. Объединение четырех протонов приводит к образованию одного атома гелия, а разница в массе четырех протонов и одного атома гелия, составляющая около 0,7% от первоначальной массы, проявляется в виде энергии излучения звезды. На Солнце каждую секунду 564 млн. т водорода превращается в 560 млн. т гелия, а разница - 4 млн. т вещества - превращается в энергию и излучается в пространство. Важно, что механизм генерации энергии в звезде зависит от температуры. Именно температура ядра звезды определяет скорость процессов. Астрономы считают, что при температуре около 13 млн. К углеродный цикл относительно несущественен. Следовательно, при такой температуре преобладает протон-протонный цикл. При увеличении температуры до 16 млн. К, вероятно, оба цикла дают равный вклад в процесс генерации энергии. Когда же температура ядра поднимается выше 20 млн. К, преобладающим становится углеродный цикл. Как только энергия звезды начинает обеспечиваться за счет ядерных реакций, гравитационное сжатие, с которого начался весь процесс, прекращается. Теперь самоподдерживающаяся реакция может продолжаться в течение времени, длительность которого зависит от начальной массы звезды и составляет примерно от 1 млн. лет до 100 млрд. лет и больше. Именно в этот период звезда достигает главной последовательности и начинает свою долгую жизнь, протекающую почти без изменений. Целую вечность проводит звезда в этой стадии. Ничего особенного с ней не происходит, она не привлекает к себе пристального внимания. Теперь это всего-навсего полноценный член звездной колонии, затерянный среди множества собратьев. Однако процессы, протекающие в ядре звезды, несут в себе зародыши ее грядущего разрушения. Когда дерево или уголь сгорают в камине, выделяется тепло, а в качестве продуктов отхода образуются дым и зола. В "камине" звездного ядра водород - это уголь, а гелий - зола. Если из камина время от времени не удалять золу, то она может забить его и огонь потухнет. Если в ядре звезды вещество не перемешивается, в термоядерных реакциях начинают принимать участие слои, непосредственно примыкающие к гелиевому ядру, что обеспечивает звезду энергией. Однако со временем запасы водорода в этих слоях иссякают и ядро разрастается все больше и больше. Наконец достигается состояние, когда в ядре совсем не остается водорода. Обычные реакции превращения водорода в гелий прекращаются ; звезда покидает главную последовательность и вступает в сравнительно короткий (но интересный) отрезок своего жизненного пути, отмеченный необычайно бурными реакциями. Когда водорода становится мало и он больше не может участвовать в реакциях, источник энергии иссякает. Но, как мы уже знаем, звезда представляет собой тонко сбалансированный механизм, в котором давление, раздувающее звезду изнутри, полностью уравновешено гравитационным притяжением. Следовательно, когда генерация энергии ослабевает, давление излучения резко падает и силы тяготения начинают сжимать звезду. Снова происходит падение вещества к ее центру, во многом напоминающее то, с которого началось рождение протозвезды. Энергия, возникающая при гравитационном сжатии, намного больше энергии, выделяемой теперь в ядерных реакциях, а раз так, то звезда начинает быстро сжиматься. В результате верхние слои звезды нагреваются, она снова расширяется и растет в размерах до тех пор, пока внешние слои не станут достаточно разреженными, лучше пропускающими излучение звезды. Полагают, что звезда типа Солнца может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. После того как звезда начинает расширяться, она покидает главную последовательность и, как мы уже видели, дни ее теперь сочтены. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату. Когда звезда сжимается, за счет работы сил тяготения выделяется огромная энергия, которая раздувает звезду. Казалось бы, это должно привести к падению температуры в ядре. Но это не так. Против ожидания температура в ядре звезды резко возрастает. В относительно тонком слое вокруг ядра все еще происходит обычное ядерное выгорание водорода, что приводит к увеличению содержания гелия в ядре. Когда в ядре концентрируется около половины массы звезды, последняя расширяется до своего максимального размера и ее цвет из белого становится желтым, а затем красным, так как температура поверхности звезды уменьшается. Теперь звезда вступает в новую фазу. Температура ядра растет до тех пор, пока не превысит 200 млн. К. При такой температуре начинает выгорать гелий, в результате чего образуется углерод. Три ядра гелия, сливаясь, превращаются в ядро углерода, который оказывается более легким, чем три исходных ядра гелия, поэтому такая реакция также идет с выделением энергии. Снова давление радиации, которое играло столь важную роль, когда звезда находилась на главной последовательности, начинает противодействовать тяготению, и ядро звезды опять удерживается от дальнейшего сжатия. Звезда возвращается к обычным размерам; по мере того как это происходит, температура ее поверхности растет и она из красной становится белой. В этот момент по некоторым загадочным причинам звезда оказывается неустойчивой. Астрономы полагают, что переменные звезды, то есть звезды, периодически меняющие свою светимость, возникают на этой стадии звездной эволюции, так как процесс сжатия происходит не гладко и на некоторых его этапах возникают ритмические колебания звезды. На этой стадии звезда может пройти через фазу новой, в течение которой она внезапно выбрасывает в межзвездное пространство значительное количество вещества ; оно, принимая вид расширяющейся оболочки, может содержать значительную часть массы звезды. Вспышки некоторых новых многократно повторяются, и это означает, что одной вспышки недостаточно, чтобы звезда достигла устойчивости. Но со временем она приобретает устойчивость, колебания исчезают, звезда начинает свой длинный путь к звездному кладбищу. Даже на этой стадии звезда еще способна к активности. Она может стать сверхновой. Причина такой активности, обусловлена веществом оставшимся у нее к этой стадии. Источник материала: проект "Астрогалактика"
| ||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||
|