Все новости
Фрагменты новых книг

Рецепт изготовления звезды (и ее срок годности). Отрывок из книги о гравитационных волнах

© Сергей Мальгавко/ТАСС
В издательстве "Альпина нон-фикшн" выходит книга Говерта Шиллинга о главном открытии физиков в XXI веке. ТАСС публикует отрывок о рождении и смерти звезд

Если бросить в воду камень, то из места столкновения разойдутся круги. Если же столкнутся объекты покрупнее — например, две черные дыры, то волны исказят само пространство-время. Звучит неправдоподобно, но этот вывод следовал из общей теории относительности, предложенной Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Чтобы подтвердить его экспериментально, понадобилось ровно 100 лет, усилия тысяч ученых из десятков стран и две обсерватории, специально построенные в 3 тыс. км друг от друга.

Об этом знаменательном открытии, за которое в прошлом году присудили Нобелевскую премию по физике, идет речь в книге Шиллинга "Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии". Поскольку гравитационные волны были зарегистрированы именно после столкновения двух черных дыр более чем в 1 млрд световых лет от Земли, Шиллинг объясняет, что это вообще такое — черная дыра. Если черные дыры существуют в том виде, какой представляется ученым (на этот счет у физиков разные мнения), то зачастую они образуются на последнем этапе жизни огромных звезд. Но тогда нужно понять, как живут и умирают звезды. Об этом-то и рассказано в данном отрывке. В нем говорится о нашем Солнце, которое слишком мало, чтобы стать черной дырой. Но предшествующие стадии жизни похожи у всех звезд. 

Обложка книги "Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии" Издательство "Альпина нон-фикшн"
Описание
Обложка книги "Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии"
© Издательство "Альпина нон-фикшн"

Звезды существовали не всегда и не будут существовать вечно. Они рождаются, проживают жизнь и умирают. (Звезда, конечно, не живое существо, но сравнение так наглядно, что им невозможно не воспользоваться. Даже профессиональные астрономы говорят о рождении и смерти звезд.) Наше Солнце является звездой среднего возраста. Оно родилось около 4,6 млрд лет назад, и оставшаяся продолжительность его жизни составляет 5 млрд лет.

В далеком прошлом, когда Солнце рождалось, некому было оставить воспоминания об этом событии. Нет у нас и надежной машины времени, чтобы стать свидетелями гибели Солнца в отдаленном будущем. Откуда же мы знаем, как началась и как закончится его жизнь? Процесс старения Солнца протекает слишком медленно, чтобы его наблюдать. Все, чем мы располагаем, — это фактически один моментальный снимок.

Кроме того, Солнце не единственная наблюдаемая звезда. Представьте, что вы инопланетянин и ваша задача — изучить жизненный цикл человека. К сожалению, ваша летающая тарелка отправится в обратный путь всего через день после прибытия на Землю. За этот единственный день вы не заметите, как стареет отдельный человек, но, посмотрев вокруг, увидите этапы жизненного цикла: новорожденного, появляющегося на свет в больнице, детей, играющих в школьном дворе, влюбленную молодую парочку, взрослых людей средних лет, борющихся с морщинами и возрастным жиром, престарелых в инвалидных креслах, похороны. Вместе эти образы рисуют выразительную картину жизни человека.

Так же и со звездами. Мы не замечаем медленной эволюции отдельной звезды. Но можем исследовать Млечный Путь и найти звезды на разных стадиях жизненного цикла. Таким образом астрономы составили из фрагментов ход звездной эволюции.

Ученые Бэрри Бэрриш, Кип Торн и Райнер Вайсс. В 2017 году они получили Нобелевскую премию за наблюдения за гравитационными волнами  EPA-EFE/Pontus Lundahl
Описание
Ученые Бэрри Бэрриш, Кип Торн и Райнер Вайсс. В 2017 году они получили Нобелевскую премию за наблюдения за гравитационными волнами
© EPA-EFE/Pontus Lundahl

Привожу рецепт изготовления звезды. Взять много газа. Поместить его в достаточно малый объем. Подождать. Вот и все, о прочем позаботится природа.

Пространство между звездами не является пустым. Оно заполнено газом. Во многих местах это горячий и чрезвычайно разреженный газ — менее одного атома на кубический сантиметр. Большинство физиков назвали бы такую среду абсолютным вакуумом. Но повсеместно встречаются облака холодного межзвездного газа плотностью до 1 млн атомов или молекул на кубический сантиметр. Этого достаточно, чтобы между частицами возникло некоторое гравитационное тяготение.

Если достаточно большое количество газа находится в достаточно малом пространстве, гравитация возникает автоматически. Облака сжимаются сами собой, поскольку гравитация сближает составляющие их частицы, насколько возможно.

Вы когда-нибудь пытались сблизить, насколько возможно, две пригоршни снежинок? В конечном счете получится снежок. Самая эффективная форма упаковки материи — это сфера. Именно поэтому звезды, в том числе наше Солнце, имеют форму сферы. (Кстати, это относится и к планетам, но не к кирпичам, горам или астероидам — они не обладают достаточным собственным тяготением, чтобы преодолеть прочность своего материала, обеспечиваемую электромагнитными силами.)

Легко понять, как гравитация стягивает разреженное облако межзвездного газа в компактную сферу. Менее очевидно, почему этот гравитационный коллапс в какой-то момент останавливается. Причина в давлении газа в сердцевине новорожденной звезды, создающем направленную изнутри силу, противодействующую гравитационному тяготению снаружи внутрь. Чем выше давление, тем труднее дополнительно сжать газ.

Запуск реакций термоядерного синтеза разогревает газ в ядре звезды и еще больше повышает давление. Давление в ядре Солнца, к примеру, составляет около 250 млрд (!) земных атмосфер. Этого достаточно, чтобы выдерживать вес многих слоев газа — сопротивляться гравитации. В результате звезда находится в состоянии, которое астрофизики называют гидростатическим равновесием. Предположим, что мы смогли заставить звезду сжиматься дальше. В этом случае плотность ее ядра увеличится. Реакции термоядерного синтеза ускорятся, создавая более высокие температуру и давление. В итоге звезда вернется в исходное состояние гидростатического равновесия.

Это также означает, что звезды могут иметь — и имеют — разные размеры. Первоначальный диаметр звезды зависит от массы сжимающегося газового облака. Чем больше масса, тем выше давление в ядре. Чем выше давление, тем активнее реакции термоядерного синтеза. Чем больше термоядерной энергии, тем выше температура и давление. Наконец, достигается гидростатическое равновесие при размере намного большем, чем у Солнца. Природа выпекла массивную, горячую и яркую звезду-гигант.

Напротив, если исходное газовое облако мало, плотность ядра остается низкой. Термоядерный синтез идет медленно, если вообще начинается. Внутренняя область звезды остается относительно холодной, давление не слишком высоко. Гидростатическое равновесие устанавливается, когда звезда сожмется примерно до 10 % размера Солнца — примерно с Юпитер. Результат: маловесная, прохладная и относительно тусклая звезда-карлик.

Один из двух четырехкилометровых "рукавов" обсерватории LIGO, где в вакууме проходит мощный лазерный луч для регистрации гравитационных волн Umptanum/CC-BY-SA-3.0/Wikimedia Commons
Описание
Один из двух четырехкилометровых "рукавов" обсерватории LIGO, где в вакууме проходит мощный лазерный луч для регистрации гравитационных волн
© Umptanum/CC-BY-SA-3.0/Wikimedia Commons

Если вы считаете, что звезды-карлики — это пустяк, то вы ошибаетесь. Начнем с того, что их намного больше, чем крупных и ярких звезд. В природе малое всегда имеет численное превосходство перед большим. Мышей больше, чем слонов, гальки больше, чем каменных глыб, астероидов больше, чем планет, — это общий принцип. Но карликовые звезды не только более многочисленны, но и живут намного дольше гигантских.

Живут дольше — но почему? Как это возможно? Раз они маленькие, значит, имеют меньше ядерного топлива, чем звезды- гиганты! Верно, у них меньшие, скажем так, "топливные баки". Но звезды-карлики еще и чрезвычайно скупы. Термоядерный синтез идет медленно и может продолжаться десятки миллиардов лет, несмотря на относительно малый запас водорода.

Если звезды-карлики — это медленные экономные микролитражки Вселенной, то звезды-гиганты — неэффективные пожиратели космического топлива. Пусть у них намного больше газа, они активно его тратят. Проходит не так уж много времени, как они выжигают весь запас водорода. Самые массивные звезды во Вселенной могут жить лишь около 1 млн лет.

Наше Солнце — нечто среднее. Не слишком массивное, не слишком маловесное. Как я уже говорил, оно находится примерно на середине ожидаемой продолжительности жизни в 10 млрд лет. Но, как и любая другая звезда, оно не будет жить вечно. Поскольку астрономы наблюдали другие солнцеподобные звезды на более поздних стадиях жизненного цикла, они знают, когда и как Солнце умрет.

В следующие несколько миллиардов лет водород в ядре Солнца истощится, поскольку по большей части превратится в гелий. Дальше от центра в толстой оболочке вокруг нового ядра с высоким содержанием гелия реакция слияния ядер водорода продолжится. Вследствие этого внешние слои будут постепенно расширяться. Наше Солнце медленно превратится в гигантскую звезду. Это печальная новость для всего живого на Земле. Не пройдет и 1 млрд лет, Солнце станет выделять столько энергии, что океаны нашей планеты начнут испаряться.

Тем временем гелиевое ядро становится все больше и массивнее. Ядра гелия упаковываются все плотнее. Постепенно, примерно через 5 млрд лет от нынешнего времени, плотность становится достаточно высокой для запуска следующего цикла ядерных реакций. Обойдемся без подробностей из области квантовой механики: из гелия синтезируются еще более тяжелые элементы — сначала углерод, затем кислород.

При термоядерном синтезе гелия выделяется намного больше энергии, чем при синтезе водорода. Из-за этой добавочной энергии Солнце расширится и станет красным сверхгигантом диаметром намного больше 100 млн км. Бедные Меркурий и Венера! Две ближайшие к светилу планеты Солнечной системы будут поглощены, их минералы и металлы перейдут в состояние перегретого пара, который смешается с внешними слоями Солнца, — величественная картина уничтожения планет.

Что касается Земли, то при некотором везении она избегнет адского пекла. Этому будет способствовать процесс, который я называю звездной лихорадкой, — верный признак близкого конца. Солнце начнет пульсировать, расширяясь и сжимаясь примерно каждые 24 часа. Побочным следствием станет постепенное сдувание в космос наружных слоев водорода. Сопутствующая потеря массы ослабит силу тяготения Солнца, воздействующую на планеты, и их орбиты расширятся. Этот эффект слишком слаб, чтобы спасти Меркурий и Венеру, но Земля может уцелеть, хотя ее каменная мантия покроет всю поверхность океаном раскаленной лавы (выживание — понятие относительное).

В течение 10 000 или 20 000 лет большая часть мантии Солнца будет сдута в окружающее пространство, образовав красочный расширяющийся пузырь. На сегодняшний день астрономы внесли в каталоги тысячи подобных короткоживущих пузырей в Млечном Пути, но их должно быть намного больше. В силу исторической традиции они называются планетарными туманностями. Вильяму Гершелю, который первым описал их в конце XVIII в., они напомнили округлые диски планет, и название закрепилось.

Тем временем взрывной синтез гелия подходит к концу. Прошло (по вселенским меркам) мгновение, а большая часть гелия в Солнце превратилась в углерод и кислород. Когда выделение энергии, противодействующей гравитации, прекращается, ядро звезды сжимается, пока не превратится в диковинный объект — белый карлик. В нем около половины первоначальной массы Солнца упаковано в сферу размерами ненамного больше Земли. Его плотность — около 1 кг/мм3.

Сначала белые карлики чрезвычайно горячи. Температура на их поверхности может достигать 100 000 °С. Но из-за небольшой площади поверхности они не излучают много света. Даже самый близкий — до него менее 10 св. лет — известный нам белый карлик невозможно увидеть невооруженным глазом. Белый карлик медленно остывает, излучая остаточное тепло в ледяной космический вакуум.

Остается темный неактивный ком вырожденной материи — звездный шлак.

Покойся с миром, Солнце!