Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Путешествие в глубь нейтронной звезды

Ядро взорвавшейся звезды превращается обычно в черную дыру или нейтронную звезду. Последняя – поистине рай небесный для физиков. Ни в одной лаборатории мира нельзя воссоздать условия, царящие здесь.

Прежде всего, поражает плотность этой крохотной звезды. Вещество в ней сжато сильнее, чем в атомном ядре. Так что нейтронная звезда диаметром около 20 километров оказывается в 1,4–3 раза массивнее нашего Солнца. Это означает, что чайная ложка звездной пыли будет весить около миллиарда тонн – больше, чем все люди, населяющие нашу планету, вместе взятые.

Сила притяжения на поверхности нейтронной звезды так велика, что та представляет собой идеальный шар. Если здесь и можно найти какие-то неровности, то их высота – не более миллиметра. Толщина твердой коры, по результатам наблюдений, не превышает полутора километров. Верхний ее слой состоит из железа, погруженного в своего рода океан из электронов.

Слой железа очень тонок. Всего в нескольких метрах от поверхности нейтронной звезды ее плотность резко возрастает. Там теснятся экзотические атомные ядра, которые на Земле можно получить разве что на новейших ускорителях. Пример тому – такой элемент, как никель-78. Если в стабильном атоме никеля его ядро содержит от 58 до 64 протонов и нейтронов, то радиоактивный никель-78 содержит по меньшей мере на 14 нейтронов больше. Период полураспада подобного элемента в лабораторных условиях составляет 110 миллисекунд. А вот в коре нейтронной звезды ввиду царящего здесь громадного давления атомные ядра никеля-78 пребывают в стабильном состоянии.

Строение нейтронной звезды

Но продолжим путешествие в глубь нейтронной звезды. Когда плотность в ее коре достигает 400 тысяч тонн на кубический сантиметр, условия резко меняются. Теперь для нейтронов, с энергетической точки зрения, выгоднее находиться вне атомных ядер. Они «просачиваются» сквозь ядра и образуют зоны, состоящие из так называемой «нейтронной жидкости».

Наконец, когда плотность в недрах звезды достигает 150 миллионов тонн на кубический сантиметр, кора нейтронной звезды заканчивается. Все атомные ядра распадаются на свои составные части. В этом месиве из элементарных частиц нейтроны находятся в явном изобилии. Поэтому, когда звезда остынет, в ее недрах может наблюдаться такое явление, как нейтронная сверхпроводимость. Этот феномен аналогичен, например, низкотемпературной сверхпроводимости гелия. Для него характерно полное отсутствие потерь на трение.

Итак, по своему строению нейтронная звезда напоминает скорее планету земного типа, нежели звезду. Она покрыта твердой корой, под которой простирается обширная жидкая зона. Впрочем, четкой границы между этими двумя областями нет. Мощное магнитное поле связывает их.

На этом аналогии между нейтронной звездой и планетами заканчиваются, поскольку астрономы мало что знают о том, что происходит в ее недрах на глубине всего в несколько километров, когда плотность превысит в 10 раз плотность атомного ядра. Ведь даже на самых современных ускорителях при столкновении атомных ядер не удается достичь подобной плотности. По некоторым гипотезам, там пребывают в свободном состоянии кварки. А может быть, там находятся какие-то не известные пока науке элементарные частицы?

В 1931 году существование звезд, состоящих из нейтронов, предсказал советский физик Лев Давидович Ландау. Двумя годами позже к тому же предположению пришли немецкие астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, работавшие в США. Более трех десятилетий нейтронные звезды оставались любимым коньком физиков-теоретиков. Никто не предполагал, что их в самом деле можно наблюдать.

Все изменилось в 1967 году. Сотрудники Кембриджского университета Энтони Хьюиш, ставший позднее лауреатом Нобелевской премии по физике, и его аспирантка Джоселин Белл обратили внимание на странный пульсирующий радиоисточник. Сигнал повторялся через каждые 1,337 секунды. Точность повторения была феноменальной. Как оказалось, Хьюиш и Белл впервые зафиксировали излучение нейтронной звезды. Эти регулярные импульсы были вызваны эффектом, который до открытия первого пульсара теоретики упустили из виду.

Все дело в том, что характеристики магнитных полей таких экзотических объектов, как нейтронные звезды, просто поразительны. Во время коллапса сверхновой звезды ее магнитное поле невероятно сжимается и потому усиливается. Его напряженность возрастает в триллионы раз по сравнению с напряженностью магнитного поля Земли. Под действием этого мощного поля электроны, находящиеся на поверхности нейтронной звезды, разгоняются до скоростей, близких к световой, и устремляются в околозвездное пространство, испуская излучение по направлению своего движения. Ну а поскольку электроны перемещаются только вдоль силовых линий магнитного поля, излучение представляет собой два узких пучка электромагнитных волн. Когда такой пучок достигает Земли, радиоастрономы фиксируют сигнал. Он напоминает сигнальный огонь маяка и попадает в поле зрения наблюдателя лишь через определенные, очень короткие промежутки времени, поскольку звезда вращается. Правда, наши наземные радиоантенны могут уловить это излучение лишь в том случае, если оно направлено точно в сторону Земли. Только тогда мы сумеем заметить этот «маяк».

Наблюдая за ним, астрономы словно ощущают пульс далекого небесного тела – пульсара. Пульс очень быстрый. Период вращения пульсаров исчисляется сотыми, а то и тысячными долями секунды. Рекорд составляет 716 оборотов в секунду. Если бы мы могли увидеть нейтронную звезду невооруженным глазом, мы даже не заметили бы, что она вращается, – мы своим зрением не может различить столь быстрых движений. Лишь приборы помогают нам изучать эти экзотические небесные тела.

По оценкам астрономов, только в нашей Галактике расположено около миллиарда нейтронных звезд, но в большинстве своем они пока еще не обнаружены.

В 2006 году американские астрономы открыли в созвездии Малой Медведицы особенно редкостный экземпляр нейтронной звезды. Ученые окрестили ее «Кальверой» – именем злодея из памятного вестерна «Великолепная семерка». Это так называемая изолированная нейтронная звезда. Как правило, эти мрачные карлики составляют пару с какой-либо звездой, которую постепенно пожирают.

До сих пор было обнаружено лишь семь нейтронных звезд, остававшихся в полном одиночестве. Эти объекты очень молоды – им менее миллиона лет. Некоторые из них можно заметить даже в оптическом диапазоне. Они очень слабо светятся, и разглядеть их можно только потому, что они находятся сравнительно недалеко от Солнечной системы.

Странно даже расположение Кальверы – она пребывает над плоскостью галактического диска, на расстоянии всего 250—1000 световых лет от нашей Земли (оценить его удалось лишь приблизительно). В любом случае, это ближайшая к нам нейтронная звезда. Впрочем, как полагает один из авторов открытия, Дерек Фокс, «таких звезд, как она, могут быть десятки». Не они ли каждые сто миллионов лет подвергают нашу планету страшной бомбардировке?

…Мир пульсаров поистине причудлив и богат неожиданностями. Время открытий здесь далеко не завершено. Так, в 1992 году у одного из пульсаров была обнаружена своя планетная система – две большие планеты размером с Юпитер и одна поменьше. Еще более сенсационным оказалось открытие в 1998 году совершенно нового класса пульсаров (и нейтронных звезд вообще) – так называемых «магнитаров».

Этот причудливый мир магнитаров

Особый класс нейтронных звезд составляют магнитары. Они обладают очень мощным магнитным полем – в тысячи раз мощнее, чем у обычных нейтронных звезд. Их индукция равна 10¹¹ тесла. Для сравнения: тот же показатель на Земле в районе экватора составляет порядка 1/3 × 10⁵ тесла.

Речь идет о самых намагниченных объектах во Вселенной. Если бы какой-нибудь магнитар чудесным образом оказался на полпути между Землей и Луной, то вся информация, которую мы храним при помощи разного рода магнитных устройств, мигом бы улетучилась. До сих пор ученым не вполне ясно, почему некоторые звезды превращаются в магнитары и какую роль при этом играет их масса.

В нашей Галактике обнаружено уже полтора десятка нейтронных звезд, которые, похоже, являются магнитарами. Все они время от времени испускают мощные потоки рентгеновского или гамма-излучения продолжительностью в несколько десятых долей секунды. Вслед за этими выбросами энергии наступает продолжительная пауза, когда поток излучения ослабевает, колеблясь при этом с периодичностью в несколько секунд, что соответствует периоду вращения магнитара. Затем, по прошествии нескольких часов, а то и лет, следуют новые, чаще всего менее мощные вспышки. Поэтому подобные источники излучения называют также Soft Gamma Repeater (SGR) – в шутливом переводе – «мягкие гамма-заики».

Вечером 27 декабря 2004 года астрономы стали свидетелями грандиозной вспышки магнитара SGR 1806—20, расположенного на расстоянии 50 тысяч световых лет от Земли. В течение 0,1 секунды мощность гамма-излучения, достигшего нашей планеты, не уступала свечению Луны в оптическом диапазоне. Если бы мы могли видеть это излучение своими глазами, нам открылась бы поразительная картина: внезапно над нашими головами, словно по мановению волшебника, на миг загорелась вторая Луна. За этот короткий промежуток времени выделилось столько энергии, сколько Солнце испускает за 100 тысяч лет. Это был самый яркий объект за пределами Солнечной системы, известный науке.

Магнитары обладают очень мощным магнитным полем　– в тысячи раз мощнее, чем у обычных нейтронных звезд

К счастью, та памятная вспышка ничем не угрожала нам. Поток излучения магнитара, достигший Земли, был поглощен верхними слоями ее атмосферы. Но если бы она произошла на расстоянии всего 10 световых лет от нашей планеты, то здесь началась бы массовая гибель всего живого (так что, возможно, какие-то прежние биологические катастрофы, вроде внезапной гибели динозавров, были вызваны именно такой близкой гамма-вспышкой, считают некоторые астрономы).

Еще одна звезда-рекордсмен – это SGR J1550—5418, расположенная на расстоянии примерно 30 тысяч световых лет от Земли. Период ее вращения составляет 2,07 секунды. Это самый быстрый известный науке магнитар. Он стремительно испускает гамма-лучи. Так, менее чем за 20 минут было зарегистрировано свыше сотни вспышек, причем во время самых мощных выделялось больше энергии, нежели Солнце излучает за 20 лет. Кстати, телескоп космической обсерватории «Свифт» зафиксировал, что во время наиболее ярких вспышек вокруг этого магнитара появлялись своего рода расширяющиеся кольца, состоявшие из отраженных сигналов. Очевидно, газопылевая завеса, окружающая звезду, отражала часть ее излучения.

Возможно, именно магнитары и являются источниками загадочных вспышек гамма-излучения, иногда фиксируемых астрономами. Природа этих вспышек до сих пор окончательно не выяснена. По одной из гипотез, эти потоки гамма-лучей испускает нейтронная звезда, погружаясь в бездну черной дыры. По другой, они возникают при столкновении двух нейтронных звезд. Но теперь астрономы полагают, что хотя бы часть этих феноменов объясняется мощнейшими вспышками магнитаров, расположенных где-нибудь на другом конце Вселенной. Эту идею предложил Кевин Харли из Берклийского университета. Вспышки такой же интенсивности, как та, что произошла 27 декабря 2004 года, можно зафиксировать в радиусе нескольких сотен миллионов световых лет.

Чем же объяснить столь грандиозные выбросы энергии, характерные для магнитаров? «Изобретатель» этой категории звезд, человек, впервые заговоривший о том, что магнитары могут существовать, Роберт Дункан из Техасского университета, предлагает следующий сценарий.

Магнитное поле магнитара отличается необычайной мощью. Даже атомы, оказавшись в таком поле, деформируются чуть ли не до неузнаваемости: например, атом водорода становится похож на иглу (соотношение его длины и ширины теперь равняется примерно 200). Само магнитное поле тоже поразительным образом искажено. В недрах этой звезды, где сосредоточена большая часть ее магнитной энергии, силовые линии поля обвивают ее ось вращения, словно пружины, накрученные на стержень. Как предполагают исследователи, подобные искажения возникают из-за быстрого вращения звезды. Стремясь развернуться, эти «пружины» время от времени взрывают твердую кору магнитара, достигающую в толщину около километра, При этом высвобождается огромная энергия, которая испускается в виде потока гамма-лучей. Чем сильнее будут закручены силовые линии магнитного поля, тем мощнее поток этих лучей. Благодаря встряске магнитное поле несколько перестраивается, обретает более стабильную конфигурацию. Сама же звезда, словно оплетенная собственным магнитным полем, начинает вращаться медленнее. Спустя некоторое время всё повторяется снова и снова – и так до тех пор, пока магнитар окончательно не замедлится

Нечто похожее наблюдалось и в случае с магнитаром SGR 1806—20. С марта по декабрь 2004 года было зафиксировано несколько отдельных слабых вспышек, которые свидетельствовали о деформировании твердой коры магнитара. Сам он все ярче светился в гамма-диапазоне, поток излучения становился все более жестким, а скорость вращения магнитара уменьшалась. Все эти факторы указывали на то, что его магнитное поле все сильнее и сильнее закручивалось. В конце концов возникшее здесь напряжение моментально разрядилось, когда звезда испустила гигантский поток гамма-излучения. Астрофизик Анна Ваттс из Амстердамского университета отмечает: «Такое событие сродни девятибальному землетрясению. Во время него моментально меняется магнитная конфигурация всей звезды». После этого события магнитное поле магнитара вновь приняло свою прежнюю форму. Звезда вернулась в стабильное состояние.

Сейчас у ученых имеются две гипотезы, которые объясняют происхождение магнитаров. По одной из них, это могут быть сверхплотные «руины» звезды, которая обладала необычайно мощным магнитным полем. Впрочем, подобных звезд в Млечном Пути очень мало. По альтернативной теории, на последней стадии жизни вполне обычной звезды скорость вращения ее ядра возрастает настолько, что звезда превращается в своего рода динамо-машину. Мощность ее магнитного поля заметно возрастает, и после своей гибели она становится магнитаром. Большинство астрономов придерживается первой гипотезы, однако убедительных доказательств, подтверждающих ее, пока нет.

Предполагается, что магнитары проявляют бурную активность лишь в первые 10 тысяч лет своей жизни, затем их магнитное поле стабилизируется. На протяжении еще нескольких тысяч лет после этого магнитары продолжают испускать излучение (такие объекты называют аномальными рентгеновскими пульсарами), пока не остывают так сильно, что перестают выказывать какую-либо активность. Возможно, на просторах нашей Галактики затеряны многие миллионы подобных звезд. По оценке астрономов, примерно каждая десятая нейтронная звезда является магнитаром.

Обманчивая красота планетарных туманностей

Прах становится прахом, а пыль – пылью. Нет ничего вечного под солнцем, нет ничего вечного и в мире звезд.

Небольшие звезды, чья масса сравнима с массой нашего Солнца, живут долго. Им суждено прожить примерно столько (или даже больше), сколько просуществовала уже Вселенная – около 14 миллиардов лет. Жизнь такой звезды сравнительно бедна событиями. Когда топливо в ее недрах выгорит, плотность в ее центральной части стремительно возрастет – там образуется массивное гелиевое ядро. Вокруг него продолжится горение еще сохранившегося водородного топлива. Разогреваясь, оболочка звезды расширится и достигнет колоссальных размеров. Ее радиус теперь в сотни раз больше радиуса Солнца. Подобная звезда называется «красным гигантом». Для звезды красный цвет – цвет старости. Температура в ее недрах превышает уже 100 миллионов градусов. В таком пекле сливаются даже ядра гелия, образуя углерод и кислород.

Со временем – через каких-то 10—100 тысяч лет – звезда сбрасывает газовую оболочку в окружающее ее космическое пространство. Эти изношенные покровы, разогретые до температуры 10 000 градусов, отлетают от нее, словно раздуваемые ветром. Гигант на глазах превращается в карлика, оставляя себе лишь неприкосновенный запас – остов, ядро.

Кольцевая планетарная туманность в созвездии Лира

Лихорадочно меняется окраска звезды, словно она подает сигнал бедствия. Из красной становится оранжевой, желтой, голубой. Когда же звезда обернется белым карликом и ее температура достигнет 30 000 градусов, поток ультрафиолетового излучения, испускаемого ею, становится таким мощным, что под его воздействием отлетевшая газовая оболочка ионизуется. Теперь она видна в телескоп. На пустынном участке космоса проступает размытое, туманное пятно. Оно сверкает все ярче. Оно скорее напоминает бутон, переливающийся разными цветами.

Нет ничего вечного в мире звезд. Всё новые гигантские светила, подводя итоги жизни, будут превращаться в банкротов, лишаясь почти всего, что им удалось стяжать. Всякий раз после их жизненного краха рядом с ними вспыхнет еще одно пятно, словно драгоценность, выпавшая из разжатой руки. Еще один «розовый бутон».

Форма этих пламенеющих «бутонов» очень причудлива: чашечки, венчики, кольца, арки, петли. Небо цветет! По мнению многих астрономов, это самые красивые объекты во Вселенной. Они зовутся планетарными туманностями. Долгое время их природа была непонятна.

В 1785 году Уильям Гершель, наблюдая за небом в уникальный для того времени 20-футовый телескоп, обратил внимание на крохотный синевато-зеленый кружок. Так же выглядела планета Уран, открытая им четыре года назад. Однако это небесное тело, как и некоторые другие, вскоре обнаруженные им, не имело ничего общего ни с планетами, ни с протопланетными телами. Название, данное им, было ошибочным.

Лишь в ХХ веке И.С. Шкловский первым понял, что планетарные туманности возникают в конце жизни звезд малой и средней массы, когда звезда, превращаясь в белого карлика, сбрасывает оболочку, и та рассеивается в окружающем пространстве.

Как полагают ученые, только в Млечном Пути имеется около 50 тысяч планетарных туманностей. Впрочем, в каталоги пока внесено лишь немногим более полутора тысяч таких объектов, причем сотню из них можно наблюдать даже в любительский телескоп. Для нашей Галактики, насчитывающей, по усредненной оценке, 200 миллиардов звезд, число планетарных туманностей, на первый взгляд, очень невелико. Все дело в том, что они недолговечны по сравнению со звездами. Они существуют лишь несколько десятков тысяч лет.

Тем не менее планетарные туманности играют важную роль в эволюции галактик. В ранний период своей истории наша Вселенная состояла главным образом из водорода и гелия. Лишь благодаря термоядерному синтезу, протекавшему в недрах звезд, она наполнилась тяжелыми элементами. Во многом именно планетарные туманности обогатили ими межзвездную среду.

Типичная планетарная туманность состоит примерно на 70 % из водорода и 28 % из гелия. Дополняют этот состав углерод, азот, кислород, а также небольшие количества других химических элементов. Протяженность подобных туманностей составляет в среднем около одного светового года, а их плотность – приблизительно 1000 частиц на один кубический сантиметр. Впрочем, молодые, только что образовавшиеся туманности – не такие разреженные. Их плотность может достигать миллиона частиц на кубический сантиметр.

В последние два десятилетия с помощью телескопа «Хаббл» удалось получить многочисленные фотографии планетарных туманностей. Примерно на каждом пятом снимке перед астрономами предстает разноцветный шар. Но в большинстве случаев эти объекты устроены гораздо сложнее. Они необычайно многолики. Почти 10 % всех туманностей имеют биполярную форму и скорее, напоминают бабочку, вот-вот готовую вспорхнуть. Некоторые очень асимметричны. Известна даже планетарная туманность, представляющая собой прямоугольник.

Почему они принимают то или иное обличье? Причины такого разнообразия до конца не выяснены. Может сказываться сила притяжения расположенных поблизости звезд и даже крупных планет. Влияние магнитных полей. Воздействие звездного ветра. Что же касается асимметричных и биполярных туманностей, то, возможно, они образовались на месте двойных звезд. Еще недавно считалось, что такое происходит лишь в исключительных случаях, и что обычно эти туманности возникают в финале жизни одиноких звезд. Наблюдения, проводимые телескопом «Хаббл», заставляют, пожалуй, пересмотреть прежние взгляды на их происхождение.

Для астрономов, изучающих планетарные туманности, одна из главных проблем заключается в том, что зачастую бывает очень трудно определить расстояние, на котором те находятся. Прежде всего, это касается отдаленных туманностей. А ведь подчас именно они оказываются единственными объектами в далеких галактиках, по которым исследователи могут уверенно судить о химическом составе этих звездных систем. В их образе перед нами проступает и наше будущее.

Когда-нибудь, почти через семь миллиардов лет, успев выжечь ближайшие планеты, потускнеет и Солнце – эта небольшая звезда, согревающая наш земной мирок. Да, прах становится прахом, а пыль – пылью. Нет ничего вечного под солнцем, нет ничего вечного и в мире звезд, этих огоньков, что – по меркам вечности – так быстро гаснут.

Посреди прежней Солнечной системы раскинется планетарная туманность. Возможно, под воздействием Юпитера она примет форму эллипса. Повлияют на ее облик и планеты, оказавшиеся в опасной близости от гибнущего Солнца. Их раскаленная твердь будет непрерывно излучать тяжелые элементы. Благодаря им туманность начнет переливаться всеми цветами радуги. На месте гибели Солнца и планет яркими, удивительными красками запылает цветок звездного вещества – живой огонь, вспыхнувший на космическом «могильнике».

Обозревая этот мрачный и эффектный финал, нельзя не признать, что Гершель, назвав данный класс туманностей «планетарными», был не так уж далек от истины. Они в самом деле связаны с планетами. Вот только те не рождаются среди разметанных клубов газа и пыли. Нет, обширная цветастая пелена, словно саваном, покрывает обломки мертвых планет. Надеясь узреть рождение космической жизни, Гершель, сам того не подозревая, отыскал далекие кладбища, над которыми еще долго будут пылать огни звездной памяти.