Вскрываем трупы звёзд
Сегодня будем вскрывать трупы звёзд. Слабонервным просьба не читать.
Внутри звёзд идёт постоянная борьба бобра с ослом фундаментальных сил природы, поэтому для правильной постановки диагноза, надо понять, что происходит.
Ггггравитация! Одна из фундаментальных сил. Она давит, она тянет, она хочет слепить всю материю в один комок. Причём, чем ближе две массы друг к другу, тем сильнее она тянет. Уменьшите расстояние между объектами в два раза, сила притяжения возрастёт в четыре. Что же не даёт всей материи схлопнуться в одну точку под действием гравитации? На первой линии обороны стоят электроны, формирующие «щит» вокруг атомного ядра. Это вступает в борьбу электромагнитное взаимодействие.
Мы знаем, что почти вся масса атомов сосредоточена в их ядрах, которые в десятки тысяч раз меньше диаметра атомов. Для сравнения, у самого лёгкого элемента – водорода радиус ядра составляет 0,875 фм (8,751 × 10⁻¹⁶ м) в ~60 тыс раз меньше радиуса всего атома 52,92 пм или 52,92 × 10⁻¹² м), у самого тяжёлого, встречающегося в природе – Урана радиус ядра 5,85× 10⁻¹⁵ м, что в ~26 тыс. раз меньше радиуса атома (156 пм или 156× 10⁻¹² м).
Чтобы лучше понять, насколько ядро атома маленькое, возьмите для масштаба горошину диаметром 5 мм, это будет как бы ядро, затем увеличьте её в 60 тыс. раз – получите шар диаметром в 300 метров – это будет атом. Электроны атома не дают сблизиться ядрам достаточно близко, чтобы ядра слиплись, так как отталкиваются друг от друга.
Но звёзды, звёзды они большие. Очень большие, и у них много массы. Огромное количество материи сдавливается до такой степени, что атомам остаётся становится всё меньше и меньше места, чтобы двигаться, они всё чаще соударяются друг с другом, давление растёт, а доступный объём уменьшается... то есть растёт температура. Когда мы говорим о температуре, на самом деле мы говорим о кинетической энергии частиц вещества. Рано или поздно, атомы начнут раздеваться терять свои электроны, если по-научному, то ионизироваться. Аналогия очень грубая и неправильная, но всё равно приведу пример – возьмите груз и привяжите к нему нитку. Теперь раскручивайте груз на нитке быстрее и быстрее (в данной аналогии – вы будете атомным ядром, а груз – электроном). Чем быстрее вы будете раскручивать, тем больше будет энергия груза. Рано или поздно нитка разорвётся и груз улетит – значит, вы ионизировались.
Много быстрых и голых атомных ядер без электронов называются плазмой. Ядра всё равно будут расталкиваться, так как они все положительно заряженные и требуется большая сила, чтобы можно было преодолеть этот барьер (кстати, он называется Кулоновский барьер). Но если хорошенько разогнать одно ядро в направлении другого, у него будет достаточно кинетической энергии, чтобы победить отталкивание и пасть в крепкие лапки сильного фундаментального взаимодейтствия (как оно работает, можно почитать в отдельном посте). Два (а бывает, и три) лёгких ядра сольются в экстазе, образуя более тяжёлое. Это называется термоядерный синтез, священный грааль человечества. Образовавшееся ядро будет легче, чем сумма масс врезавшихся друг в друга лёгких ядер, а разница вылетит в виде энергии (фотонов, электронов и нейтрино).
Так «горит» водород, превращаясь в гелий. Его запасы огромны, и большинству звёзд требуются многие миллиарды и даже десятки триллионов лет, чтобы сжечь его полностью, причём, вопреки интуиции, чем массивнее звезда, тем короче (но ярче!) окажется её жизненный путь. Малые звёзды, наоборот, живут очень и очень долго. Настолько долго, что мы до сих пор не знаем, что происходит со звёздами малого размера (с массой где-то в половину Солнца или меньше), так как ещё ни одна из них не умирала естественным образом.
Звёзды покрупнее (масса 0,4 – 3,4 Солнца) по мере израсходования запасов водорода имеют достаточную массу, чтобы гравитация сжала их ядро до такой степени, чтобы «поджечь» гелий, когда начнёт образовываться более тяжёлые элементы, вплоть до углерода. Этот процесс сопровождается выделением ещё большей температуры, и поток энергии от ядра становится настолько сильным, что, переборов гравитацию, начнёт раздувать внешние слои звезды. Звезда «пухнет» в размерах и превращается в красного гиганта. Давление на ядро уменьшается, реакции синтеза замедляются, тогда гравитация снова начинает сдавливать ядро, и они разгораются снова. Звезду «лихорадит», она постоянно меняет размеры, температуру, всё это сопровождается нарастающей потерей массы, которая превращается в звёздный ветер, богатый кислородом и углеродом.
«Горение» гелия продолжается около миллиарда лет. Если у звезды ещё остаётся масса, то «поджигаются» углерод и кислород, образовавшиеся на предыдущем этапе. Звезда ещё больше распухает, а потоки звёздного ветра усиливаются. Если масса всё ещё есть, «зажигается» неон, затем кремний, причём каждый следующий этап в разы короче предыдущего. Если «горение» водорода продолжается миллиарды лет, то когда «горит» кремний, счёт идёт даже не на дни, а на часы. Это последние часы перед смертью звезды, её последний вздох. Последними химическими элементами, которые синтезируются непосредственно в ходе термоядерных реакций является железо, никель и цинк, но до этой стадии могут дожить лишь тяжёлые звёзды, у более лёгких звёзд этот процесс может заканчиваться уже фтором.
Никель и цинк образуются, можно сказать, уже по инерции, ускоряя угасание звезды. Дело в том, что если при синтезе элементов легче железа энергии выделяется больше, чем тратится, то на синтез более тяжелых элементов энергии уже потратится больше, чем выделится. так что «гореть» внутри звезды становится уже нечему.
Всё время, пока в ядре звезды идут термоядерные реакции, давление исходящего от них излучения противостоит силе гравитации, старающейся сжать вещество как можно сильнее. Звезда находится в состоянии гидростатического равновесия. На последней стадии процесс становится очень интенсивным и быстрым. Что происходит дальше, целиком зависит от того, насколько тяжёлой была звезда.
Белый карлик
Гравитация сжимает оставшиеся атомы в ядре звезды настолько сильно, что электроны перестают «принадлежать» отдельным атомам. Сначала электроны заполняют все нижние орбитали, поскольку места на них больше нет – мы знаем (см. пост), что два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии из за принципа запрета Паули, электроны вынуждены занимать всё более и более высокие уровни.
Из-за того, что электроны не могут отдавать энергию путём перехода на забитые битком нижние этажи, материя, уже не представляет собой набор атомов, скорее, это набор положительно заряженных ядер, «плавающих» в море электронов. Такое состояние материи называется «вырожденный электронный газ».
Белый карлик (кстати, наше Солнце и большинство звёзд в наблюдаемой Вселенной превратятся именно в него) – это медленно остывающий остаток от небольшой звезды, состоящей из вырожденного электронного газа. Плотность его очень высока, чтобы получить такую плотность Солнце надо ужать до размеров нашей планеты. Звезда уже не производит энергию, но продолжает светиться, постепенно отдавая накопленную энергию, пока не остынет настолько, что превратится в чёрного карлика (хладный труп).
Электроны оказывают очень сильное сопротивление гравитационному сжатию из-за принципа запрета Паули, и, если масса звезды была недостаточной, то гравитация уравновешивается давлением вырожденного электронного газа... но если звезда оказывается тяжелее определённого предела (предел Чандрасекара), примерно в 1.44 масс Солнца, то гравитация пересиливает и буквально «вдавливает» электроны в протоны атомных ядер, превращая ядро в нейтронную звезду. Процесс называется обратный β-распад (англ.).
Нейтронная звезда
Но предшествует этому событию грандиознейший выброс материи в окружающее пространство.
Протоны и электроны под огромным давлением объединяются, в результате чего получается нейтрон. Нейтронная звезда, ВНЕЗАПНО, почти полностью состоит из нейтронов (за исключением внешней «шелухи» из обычного вещества). Коллапс звезды продолжается до колоссальной плотности. Высвободившаяся гравитационная потенциальная энергия выбрасывает очень горячее вещество, находящееся на внешних слоях звезды, в окружающее пространство с огромными скоростями (до 10% скорости света). В процессе звезда теряет очень много своей массы, зато в ходе данного взрывного процесса (кстати, это называется «взрывом сверхновой», не путать с «новой») происходит синтез почти всех остальных химических элементов, тяжелее железа.
Тут нужно сказать, что упомянутый всуе предел имени индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара по массе звезды касается лишь массы её ядра. Для того, чтобы белый карлик превратился в нейтронную звезду, его масса (до взрыва) должна составлять примерно около 8 Солнечных масс. Масса в восемь Солнц оставляет «труп» массой всего в 1.4 массы Солнца, масса в 20 солнечных оставит ядро массой всего в три.
Диаметр нейтронной звезды, имеющей массу Солнца, составляет всего 10-20 км.
Средняя плотность её вещества составляет 2,8 × 10¹⁷ кг/м³. Такой материал называют «нейтронием». Это, в принципе, максимальная плотность, которую вообще может иметь материя, поэтому нейтроний так любим писателями-фантастами в качестве брони для космических кораблей. К сожалению, нейтроний может существовать только при давлении порядка сотен миллионов тонн на кв. см, и нет никакой возможности для его существования в нормальных условиях. Даже если представить себе гипотетически, что можно было бы достать образец подобного вещества из ядра нейтронной звезды, как только снизится окружающее давление, нейтроний тут же начнёт превращаться в обычную материю, при этом процесс будет сопровождаться многомегатонным «фейерверком».
Поскольку нейтрон тоже является фермионом (его спин равен ½) на него так же распространяется принцип запрета Паули, гласящий, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Это значит, что хотя два нейтрона даже могут занимать физически одно и то же место, однако при этом иметь разнонаправленный спин, но больше нейтронов в эту область пространства поместить не удастся. Но и это препятствие не является непреодолимым. Если масса коллапсирующей звезды превышает определённый предел (на сей раз предел Оппенгеймера – Волкова, который на сегодняшний день определён в пределах 1,3 – 3 солнечных масс), последний барьер рушится и победившая всех гравитация в течение буквально секунд коллапсирует всю оставшуюся массу в безразмерную точку с бесконечной плотностью, называемой сингулярностью, а вокруг по радиусу Шварцшильда сформируется горизонт событий чёрной дыры.
Но такое происходит не так уж и часто, так как большинство звёзд в наблюдаемой вселенной имеют небольшую массу, и закончат свою жизнь как белые карлики.
Пульсары
Но вернёмся к нейтронной звезде. Нейтронные звёзды — один из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.
Впервые мысль о существовании звёзд с увеличенной плотностью ещё до открытия нейтрона, сделанного Чедвиком в начале февраля 1932 года, высказал известный советский учёный Лев Ландау. Так, в своей статье «О теории звёзд», написанной в феврале 1931 года и по неизвестным причинам запоздало опубликованной 29 февраля 1932 года (более чем через год), он пишет: «Мы ожидаем, что всё это [нарушение законов квантовой механики] должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро».
Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи астрономических инструментов того времени. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х годах, когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты в радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён узкой направленностью радиолуча от быстро вращающегося объекта — своеобразный «космический радиомаяк». Но любая обычная звезда разрушилась бы при столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков были пригодны только нейтронные звёзды. Объект PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.
На Земле излучение нейтронных звезд наблюдается в форме периодических сигналов. Астрономы выяснили, что у этого излучения естественное происхождение. Его строгая периодичность обеспечена особенной траекторией распространения. Дело в том, что нейтронная звезда излучает не во все стороны, как обычные звезды, а в форме узкого луча или веера. Вращаясь, нейтронная звезда, как маяк, просвечивает этим лучом космос. Поэтому радиоизлучение нейтронных звезд и наблюдается в виде ярко выраженных периодических пульсаций, оттого такие объекты и называются Пульсары.
Быстрое вращение пульсара объяснить проще. Все звёзды вращаются и, соответственно, имеют угловой момент, который сохраняется и при сильном уменьшении радиуса звезды. Уменьшение радиуса ведёт к пропорциональному увеличению скорости вращения.
Но что же является источником радиоизлучения нейтронной звезды? Ведь она состоит из нейтронов, а нейтроны электрически нейтральны и не могут участвовать ни в каком электромагнитном взаимодействии. Совершенно точно, не могут, но, как я уже сказал, на внешнем слое нейтронной звезды (примерно 1 км толщиной) давление не настолько сильное, чтобы материя деградировала, и в этом слое сохраняются протоны и электроны. Их вращение формирует магнитное поле, из полюсов которого и испускается электромагнитное излучение. За счёт потери этой энергии, вращение пульсара замедляется, и он «выключается». Это происходит достаточно быстро (примерно за 10-100 млн. лет), и большинство (99%) пульсаров, образовавшихся за время существования нашей Вселенной уже «выключились».
Нейтронные звёзды представляют большой интерес, так как по своему состоянию они являются самыми близкими к чёрным дырам объектами. Их гравитация настолько высока, что, если бы мы смотрели на них, то из-за релятивистского отклонения света мы бы видели больше половины их поверхности:
