Алексей Бялко,

кандидат физико-математических наук

ГАДАНИЕ ПО ЗВЕЗДАМ ПО-НАУЧНОМУ

Подходит к концу двадцатое столетие. Много чем будет оно памятно, но попробуем выделить его главные достижения в познании окружающего нас мира. Считается общепризнанным, что это теория относительности, но лично я все же поставил бы на первое место квантовую механику. Психологически квантовая механика скорее неожиданна и возникла словно бы непредсказуемо. Кроме того, с ее проявлениями мы сталкиваемся повседневно, ведь почти все вокруг состоит из отдельных атомов, квантов вещества, и напротив, большие скорости, которыми оперирует теория относительности, далеки от нас, землян. Если обратиться к наиболее яркому в XX веке техническому воплощению мысли и наиболее ужасному по своим последствиям — взрыву ядерной бомбы, — то в его создании равно проявились обе теоретические вершины знания. Они же помогли нам понять цепочку наиболее удивительных наблюдаемых явлений, обнаруженных в нашем (пока еще — нашем) столетии: это существование белых карликов, пульсаров и черных дыр. Наконец, особенно потрясающее: самый экзотический объект этой цепочки, черная дыра, была предсказана заранее, задолго до ее открытия, причем первой из всей этой последовательности.

В книге видного американского астрофизика К. С. Торна «Черные дыры и искривление времени: дерзкое наследие Эйнштейна» подробно и на редкость увлекательно рассказана история борьбы идей в астрофизике, которая закончилась (или заканчивается) на наших глазах признанием реальности черных дыр. К сожалению, невозможно воспроизвести суть книги в короткой статье простыми цитатами, поэтому здесь будут перечислены только основные вехи этих открытий и их осознания.

Началось все с того, к чему пришло: с черных дыр. Вскоре после 1916 года Эйнштейн выписал уравнения гравитации, немецкий астроном и теоретик, К. Шварцшильд нашел их частное решение. Оно содержало ясный намек на то, что если собрать очень большую массу в малом объеме, то гравитация станет так сильна, что начнет сжимать эту массу беспредельно. Ничто, даже свет, не сможет выйти из такой черной дыры. Впрочем, само название было придумано много позже.

А астрономы открыли первыми белые карлики. Самая известная из этих звезд — спутник Сириуса. Сириус — одна из ближайших к нам и самая яркая звезда на небе. Ее спутник, который обращается вокруг Сириуса с периодом 50 лет, назвали Сириус Б. Период обращения дает возможность вычислить его массу, она равна 1,05 солнечной, однако диаметр Сириуса Б оказался вдвое меньше диаметра Земли, поэтому плотность этого белого карлика в 4 млн. раз выше плотности воды и в 3 млн. раз выше плотности Солнца.

Астрономы и теоретики были озадачены, может ли существовать столь плотное вещество. Каждая звезда (кроме сверхновых во время их взрыва) находится в механическом равновесии между силами гравитации и давлением в ее недрах. От величины давления зависит, насколько сжата звезда; давление вместе с температурой определяет плотность вещества. В 1926 году английский физик-теоретик Р. Х. Фаулер с помощью только что созданной квантовой механики сумел объяснить, что давление внутри Сириуса Б и других белых карликов обусловлено не тепловым движением атомов, а вырожденным движением электронов.

Электронное вырождение проще всего понять в рамках дуализма волна-частица. Когда вещество сжато до высокой плотности и каждый электрон среды заключен в чрезвычайно малом пространстве, сдавленный электронами соседних ячеек, он начинает вести себя во многом как волна. Длина электронной волны (расстояние между ее гребнями) не может быть больше, чем размер ячейки: если бы она была больше, волна выходила бы за пределы этой ячейки. Далее, частицы, имеющие очень малую длину волны обязательно будут обладать высокой энергией. (Типичный пример — частица, связанная с электромагнитной волной, — фотон. Фотон рентгеновских лучей имеет гораздо более короткую длину волны, чем у видимого света и, как следствие, фотоны рентгеновских лучей гораздо более энергичны, чем фотоны видимого света.)

В случае электронов внутри очень плотного вещества короткая длина волны и, соответственно, высокая энергия приводят к их быстрому движению; это означает, что электрон должен двигаться в своей ячейке, ведя себя как странный сверхбыстрый мутант: наполовину волна, наполовину частица. Физики говорят, что электрон «вырожден», и называют давление, вызываемое этим беспорядочным высокоскоростным движением, «давлением вырожденных электронов» Не существует способа избавиться от этого давления; оно является неизбежным следствием

заключения электрона в малом объеме. Более того, чем больше плотность вещества, тем меньше ячейка и меньше длина волны электрона — и выше его энергия, быстрее движение, а следовательно, больше давление вырождения. В обычном веществе с обычной плотностью давление вырождения настолько мало, что им можно пренебречь, но при огромных плотностях белых карликов оно должно быть чрезвычайно большим.

Я пи любой ли массе возможно существование белых карликов? Ответ на этот вопрос дал в 1930 году молодой индийский ученый С. Чандрасекхар, получивший за это Нобелевскую премию лишь 54 (!) года спустя. Этот срок, достойный книги рекордов, подчеркивает, насколько поразительным оказался результат. Вещество с высокой плотностью с трудом может сдерживать гравитацию, да и то в том случае, если масса звезды меньше 1,4 солнечной. Это означает, что вообще не может существовать белых карликов массой, превышающей 1,4 массы Солнца! А что же дальше? Если белый карлик тяжелее Солнца в 1,4 раза, гравитация полностью превозмогает давление вырождения. Когда более тяжелая звезда истощает свой внутренний запас тепла и остывает, тяготение выигрывает противоборство с давлением и заставляет звезду неминуемо сжиматься. Но до каких пор? Окончательный ответ: в зависимости от массы — в нейтронную звезду или черную дыру. Однако для обретения уверенности в таком утверждении потребовалось еще 60 лет.

До этого события развивались так. В феврале 1932 года английский экспериментатор Дж. Чедвик открыл нейтрон, нейтральную частицу, существование и свойства которой до этого предсказал Резерфорд. Это позволило теоретикам предсказать наличие еще одного типа звезд — нейтронных. Их средние плотности больше по сравнению с белыми карликами, причем больше в миллион раз! Первым о нейтронных звездах сказал в 1937 году Л. Д. Ландау, но его качественная модель оказалась не самой удачной. Незадолго до второй мировой войны она была существенно улучшена Р. Оппенгеймером, впоследствии отцом атомной бомбы, и его аспирантом, эмигрантом из России Г. Волковым. Но их теория показала, что и нейтронная звезда не может существовать, если ее масса превосходит некоторый предел. Впоследствии этот предел был вычислен, он равен всего 2 солнечным массам. Если же масса больше, то холодная звезда претерпевает так называемый гравитационный коллапс: она необратимо сжимается в черную дыру.

В предыдущей фразе есть одно важное слово: «холодная». Дело в том, что астрономы прекрасно знают о существовании звезд с массами и в 10, и в 20 раз больше солнечной. Как правило, большие звезды светят ярко, их температуры очень высоки, а плотности — обычные. Существование горячих звезд с практически любой массой не противоречило теории. Но в процессе горения звезды исчерпывают запасы своей энергии: сперва выгорает водород, превращаясь в гелий, затем гелий должен сгореть с образованием углерода и так далее вплоть до железа. Железо — самый устойчивый химический элемент, оно уже гореть не может. Поэтому теоретики и интересовались судьбой остывших железных звезд. Но именно по этой же причине теоретические предсказания нейтронных звезд, а тем более черных дыр воспринимались наблюдателями с известной долей скепсиса. Так продолжалось до 1967 года, когда неожиданно для всех нейтронные звезды были обнаружены.