Текст книги "Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии"

Экспериментаторы также прониклись скепсисом. Чтобы результаты эксперимента были признаны научным сообществом, они должны быть воспроизводимыми. Но Владимир Брагинский из МГУ не смог получить результаты Вебера. Энтони Тайсон из Bell Telephone Laboratories в Холмделе, штат Нью-Джерси, ничего не обнаружил. Результат Дэвида Дугласа в Рочестерском университете оказался отрицательным. Рон Древер из Глазго трудился впустую. Вебер же продолжал сообщать о новых удачах своей «гравитационно-волновой лаборатории» в Мэриленде.

Тони Тайсон до сих пор помнит споры с Элом Клогстоном, возглавлявшим лабораторию физических исследований в лабораториях Bell. Когда Тайсон рассказал ему о планах поставить эксперимент для проверки результатов Вебера, Клогстон энтузиазма не выказал главным образом потому, что не увидел никакой выгоды для Тайсона и лаборатории[29]29
  Я взял интервью у Тони Тайсона в Калифорнийском университете в Дэвисе 20 июня 2016 г.


[Закрыть]. Если окажется, что Вебер ошибается, это им ничего не даст, если же Вебер окажется прав, то именно он, а не Тайсон получит «нобелевку». Так ради чего стараться? Тем не менее Тайсон начал, без особой огласки, строить очень чувствительные резонансные детекторы. Он объединился с Дэйвом Дугласом, и в 1971 г. они даже начали сотрудничать с Вебером, сравнивая показания приборов в Холмделе и в Рочестере, обмениваясь данными с Мэрилендом, повышая чувствительность оборудования и разрабатывая более совершенное программное обеспечение для анализа результатов.

Скоро Тайсон утвердился во мнении, что Вебер видит то, чего нет. Вебер был блестящим мыслителем и умным инженером, но небрежно подходил к анализу данных и статистике. Он никогда не публиковал алгоритмы, по которым определял и идентифицировал совпадения показаний разных антенн. Если постоянно менять используемые критерии, то обязательно найдешь столько «совпадений», сколько захочешь.

Вебер совершал и глупые ошибки. Он заявил, что получил сигналы из центра Млечного Пути, поскольку они обнаруживались преимущественно, когда центр нашей галактики стоял высоко в небе, а волны Эйнштейна давали бы более сильные сигналы в антеннах при движении в вертикальном, чем в горизонтальном направлении. Это верно, но Тайсону пришлось напомнить ему, что Земля проницаема для гравитационных волн. Вследствие этого сигналы должны иметь такую же силу, когда Млечный Путь достигает предельного положения ниже горизонта, но Вебер о таких сигналах не сообщал.

Затем Вебер утверждал, что обнаружил совпадения собственных измерений с данными из Холмдела и Рочестера – сигналы, правда, едва выделяющиеся из шума, но возникавшие точно в одно и то же время. Но Тайсон и Дуглас впоследствии обнаружили, что Вебер использовал восточное летнее время, тогда как они работали по общемировому, отличающемуся на 4 часа. Какой конфуз!

Для Джо Вебера это был сложный период. Он целыми днями в одиночестве работал в лаборатории и постоянно сталкивался с критикой своих трудов. Летом 1971 г. умерла от сердечного приступа его жена. Но Вебер был упрям и сдаваться не собирался. В марте 1972 г. 52-летний ученый женился на 28-летней Вирджинии Тримбл, астрономе из Калифорнии, и начал брать уроки танцев.

Споры вокруг антенн не утихали. К 1974 г. многие эксперименты Вебера с антеннами проводились по всему миру. Тайсон и Дуглас перешли на четырехтонные инструменты с низкотемпературной электроникой в борьбе с неустранимым шумом измерений, но ничего не нашли. Хайнц Биллинг, Альбрехт Рюдигер и Рональд Шиллинг из Института астрофизики им. Макса Планка в немецком Мюнхене, а также Гвидо Пиццелла и Карл Майшбергер в итальянском Фраскати построили большие антенные детекторы. Никаких результатов. Маленький инструмент, созданный Ричардом Гарвином в Исследовательском центре IBM им. Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун-Хайтс (штат Нью-Йорк) весил всего 120 кг и мог обнаруживать только самые мощные гравитационные волны, но и он не зарегистрировал никаких сигналов.

Дик Гарвин[30]30
  Дику Гарвину посвящена кн.: Joel Shurkin, True Genius: The Life and Work of Richard Garwin (Джоэл Шаркин. Настоящий гений: Жизнь и работа Ричарда Гарвина) [New York: Penguin Random House, 2017].


[Закрыть] был не из тех, кто позволит себя дурачить. В 1952 г., 24-летним, он работал под руководством Эдварда Теллера над водородной бомбой. Блестящий физик и уважаемый правительственный консультант по вопросам национальной безопасности, провел два срока в научно-консультационном комитете при президенте США. К тому же он лучше Вебера умел обращаться с данными.

Тони Тайсон уже спорил с Джо Вебером из-за гравитационных волн на большой конференции в Нью-Йорке в декабре 1972 г. (На 6-м Техасском симпозиуме по релятивистской астрофизике; разумеется, Нью-Йорк находится не в Техасе, но первая конференция этого цикла встреч состоялась именно там, и название прижилось.) Это, однако, был более-менее вежливый научный спор. Несмотря на несогласие по поводу данных, Тайсон и Вебер уважали друг друга. Много лет спустя они даже, можно сказать, подружились.

Конфликт с Гарвином на Кембриджской конференции в июне 1974 г. развивался совершенно иначе, возможно, потому, что Вебер устал защищаться или в глубине души понимал, что что-то не так. Мы об этом уже не узнаем. Как бы то ни было, он воспринял критику Гарвина как личные нападки и был готов ударить в ответ, если бы не вмешательство Фила Моррисона.

Вспоминая об этом случае более 40 лет спустя, Вирджиния Тримбл до сих пор жалеет своего покойного мужа. «Они изгнали его с острова, – сказала она в разговоре со мной, прибегнув к аллюзии на популярное реалити-шоу «Последний герой». – Вы не знаете значения слова «конфликтный», если не прожили 28 лет в браке с Джо Вебером. Это [сообщество физиков] была стая. Гарвин оказался самым непримиримым. Для Джо он стал воплощением зла».

Тримбл, ставшая знаменитым астрофизиком и историком астрономии, никогда не вступала в дебаты по поводу обнаружения гравитационных волн антенными детекторами, и ее карьера не пострадала из-за отношений с Вебером. После смерти мужа она продала их дом в Чеви-Чейз и на вырученные средства учредила премию за астрономический инструментарий имени Джозефа Вебера от Американского астрономического общества. С 2002 г. она вручается людям с такими же, как у Вебера, устремлениями: создать самый лучший прибор, который только можешь представить, и пользоваться им, пока не поймешь, что ты видишь.

После стычки в Кембридже споры Вебера и Гарвина продолжились – не на конференциях, а в разделе «Письма читателей» журнала Physics Today. В июне 1975 г. физик из Принстона Фриман Дайсон написал Веберу письмо, предлагая сдаться. «Великий человек не боится публично признать, что ошибался и передумал, – писал Дайсон. – Вы достаточно сильны, чтобы признать свою ошибку. Если вы это сделаете, ваши враги возрадуются, но друзья возрадуются еще больше». Вебер отказался уступить.

К тому времени большинство ученых были убеждены, что заявления Вебера беспочвенны – не из-за какой-то ошибки в технологии антенного детектирования как таковой, а потому, что гравитационные волны, очевидно, слишком слабы, чтобы измерить их таким способом. До середины 1970-х гг. во многих местах были построены и использовались многочисленные резонансные детекторы разных размеров, форм и массы и из разных материалов. Самые лучшие были чрезвычайно чувствительными, великолепно изолированными от вибрационного шума (например, шума проезжающих грузовиков), криогенными (охлажденными почти до абсолютного нуля, составляющего –273 °С) и имели сверхпроводящие квантовые интерферометры, способные измерить даже самый слабый сигнал. Хотя иногда казалось, что тот или другой что-то обнаружил, данные никогда не казались критикам достаточно убедительными и большинство детекторов постепенно были выведены из эксплуатации. Сам Вебер в конце 1980-х гг. лишился финансирования Национальной научной ассоциации. Частично на собственные средства он поддерживал работу своих антенн вплоть до смерти в сентябре 2000 г. Часть его оборудования до сих пор пылится в маленьких, будто гаражи, зданиях кампуса Мэрилендского университета.

_________

Печальная история! Джо Веберу нельзя не посочувствовать. Такова судьба многих первопроходцев. Нет ничего сложнее, чем открыть новую область научного исследования. Если то, к чему вы стремитесь, легко достижимо, все бы уже это делали. Идя впереди всех, рискуешь потерпеть поражение по той или иной причине[31]31
  Первые попытки Джо Вебера зарегистрировать гравитационные волны описаны в кн.: Marcia Bartusiak, Einstein’s Unfinished Symphony: The Story of a Gamble, Two Black Holes, and a New Age of Astronomy (Марсия Бартусяк. Неоконченная симфония Эйнштейна: История об азартной игре, двух черных дырах и новой эпохе в астрономии) [New Haven: Yale University Press, 2017]; Janna Levin, Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space (Дженна Левин. Блюз черной дыры и другие песни дальнего космоса) [New York: Alfred A. Knopf, 2016]. Подробная история гравитационно-волновой физики: Daniel Kennefick, Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Дениэл Кеннефик. Путешествие со скоростью мысли: Эйнштейн и поиск гравитационных волн) [Princeton, NJ: Princeton University Press, 2007]. Очень подробное освещение начала изучения гравитационных волн, в том числе экспериментов Джо Вебера: Harry Collins, Gravity’s Shadow: The Search for Gravitational Waves (Гарри Коллинз. Тень гравитации: Поиск гравитационных волн) [Chicago: University of Chicago Press, 2004].


[Закрыть].

Один астроном, впоследствии разделивший Нобелевскую премию за работы, связанные с волнами Эйнштейна, не присутствовал на 5-й Кембриджской конференции по релятивизму в июне 1974 г. и даже не знал о полемике вокруг антенн Вебера. Двадцатитрехлетний Рассел Халс наблюдал пульсары в радиообсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, работая над докторской диссертацией. Тем летом он сделал открытие, повлекшее за собой первое (косвенное) доказательство существования гравитационных волн.

Прежде чем мы перейдем к этой истории, вы должны узнать, что такое нейтронные звезды. Прослушайте ускоренный курс астрофизики.

5
Как живут звезды

Вы знаете, кто такой Карл Саган – ученый-планетолог, популяризатор астрономии и ведущий сериала «Космос: персональное путешествие», выходившего на канале PBS в 1980 г.? Если вас тогда еще на свете не было, поищите в Google – этот сериал стоит посмотреть[32]32
  «Космос – персональное путешествие» – 13-серийный телесериал (авторы сценария Карл Саган, Энн Друян и Стивен Сотер, режиссер Эдриан Мэлоун, первый показ на PBS с 28 сентября до 21 декабря 1981 г.). Эта глава названа по девятой серии. См. также: Саган К. Космос. – СПб.: Амфора, 2005.


[Закрыть].

Девятая серия начинается с замедленной съемки крупным планом приготовления яблочного пирога в сопровождении классической музыки. Официант во фраке несет пирог на серебряном блюде через столовую Кембриджского университета и подает Сагану, сидящему за красиво накрытым столом. Когда пирог ставят перед ним, Саган смотрит в камеру и говорит: «Если вы хотите приготовить яблочный пирог с самого начала, придется прежде всего изобрести Вселенную».

Совершенно справедливо! Не будь Большого взрыва, не было бы галактик, звезд и планет, не говоря уже об яблочных пирогах. Все вокруг нас имеет свою историю. Стулья, кошки или ключи от машины – чтобы действительно изучить их, нужно узнать, откуда они взялись.

Это относится и к нейтронным звездам. Перефразируя замечание Сагана, если вы хотите знать, что такое нейтронная звезда, сначала нужно познакомиться с эволюцией звезд. Ведь нейтронная звезда, в сущности, труп звезды. Мы должны хорошо понимать особенности нейтронных звезд, чтобы продолжить разговор о гравитационных волнах, поэтому я собираюсь прочесть вам вводный курс о жизни звезд. К яблочному пирогу Сагана мы еще вернемся.

Звезды – важные объекты хотя бы потому, что дают энергию живым организмам. Например, жизнь на Земле всецело зависит от энергии Солнца. Без солнечной энергии Земля была бы темным обледенелым каменным шаром. Ничто не смогло бы выжить на ней.

Если мы настолько зависим от Солнца, полезно разобраться, как оно функционирует и из чего состоит. Откуда берется его энергия? Насколько ее хватит? Что произойдет, если Солнце погибнет? Астрономы узнали ответы на эти вопросы менее 100 лет назад, ведь невозможно изучить Солнце в лаборатории или рассмотреть образец солнечной материи под микроскопом.

Неудивительно, что в начале промышленной революции возникла идея, будто Солнце состоит из угля – нового чудесного источника энергии. Если как следует нагреть это черное вещество, оно начнет светиться. Ученые XIX в. придерживались несколько более реалистичных взглядов, полагая, что Солнце, возможно, медленно сжимается или его постоянно бомбардируют метеориты. При обоих процессах выделялась бы энергия.

Они ошибались. Солнце не сжимается. Наоборот, оно увеличивается в размерах, хотя и чрезвычайно медленно. Метеориты и даже кометы то и дело врезаются в Солнце, но скорость соударений слишком мала, чтобы обеспечить столько тепла и света. Что касается угля, если бы Солнце было своего рода угольной электростанцией, то его едва хватило бы на 6000 лет. Несмотря на соответствие представлениям некоторых креационистов о мироустройстве, это значительно меньше 2 млн лет существования земной жизни.

Сесилия Пэйн заинтересовалась астрономией в 19 лет, узнав об экспедиции Артура Эддингтона (которая наблюдала солнечное затмение и подтвердила ОТО Эйнштейна, о чем вы читали в главе 3). Четыре года спустя она уехала из Англии, получив первую степень доктора философии в области астрономии в Рэдклиффском колледже и место стипендиата-исследователя Гарвардской обсерватории. В диссертации, защищенной в 1925 г., она доказала, что Солнце состоит преимущественно из водорода, самого простого элемента в природе. Поскольку то же самое должно относиться и к другим звездам, Пэйн фактически открыла состав Вселенной. Поразительно, что большинству людей не знакомо ее имя.

Теперь мы знаем, что Солнце на 71 % состоит из водорода, на 27 % – из гелия (второго по простоте элемента) и лишь на 2 % – из более тяжелых элементов. Фактически Солнце – огромный шар горячего газа. Возможно, огромный – сказано слишком слабо, здесь уместнее слово чудовищный: 1,4 млн км в поперечнике – сто с лишним диаметров Земли. Если бы Солнце было размером с большой надувной мяч, то Земля, соответственно, ужалась бы до шарика, которым играют в рулетку; будь оно пустым, как надувной мяч, то вместило бы больше 1,3 млн голубых шариков величиной с Землю. Впечатляюще!

Как же чудовищный шар водорода и гелия вырабатывает постоянный поток энергии? Очень просто, в процессе термоядерного синтеза. Ладно, не так уж это и просто, – чтобы выяснить все в деталях, американский физик Ханс Бете трудился до конца 1930-х гг. Но, если отрешиться от подробностей, картина ясна. В ядре Солнца газ сильно сжат весом верхних слоев; плотность там в 13 раз выше плотности свинца. В этих экстремальных условиях атомные ядра начинают сливаться – это и есть ядерный синтез. Если вы видели киносъемку первого испытания американской водородной бомбы, взорванной в начале 1950-х гг., то знаете, что при термоядерном синтезе выделяется энергия. Огромная энергия.

Поставим мысленный эксперимент. Представим, что можем запустить реакции термоядерного синтеза в ядре Солнца всего на одну секунду, а затем остановить их. Что произойдет в эту самую секунду? (Готовьтесь удивиться: последующее трудно вообразить, однако это правда.)

Всего за одну секунду 570 млн тонн газообразного водорода вступает в реакции термоядерного синтеза. Его масса примерно равна массе бетонного куба с длиной стороны более 600 м. Специально для настоящих любителей больших чисел: это порядка 3,4 × 10³⁸ атомов водорода. За одну-единственную секунду! Легкие ядра водорода (по сути, единичные протоны) сливаются в более массивные ядра атомов гелия. Ядро атома гелия примерно в 4 раза тяжелее протона, таким образом, из каждых четырех ядер водорода, поступающих в «черный ящик» термоядерного синтеза, получается одно ядро гелия. (Это тоже очень много, в чем вы убедитесь, разделив 3,4 × 10³⁸ на 4, – результат составит 8,5 × 10³⁷.)

Кстати, я только что воспользовался принятым в науке способом представления больших чисел. Для тех, кто с ним не знаком, поясняю, что он связан со сдвигом запятой, отделяющей десятичную дробь от целой части: запись «3,4 × 10³⁸» означает, что нужно взять число 3,4 и сдвинуть запятую на 38 позиций вправо, всякий раз добавляя нуль. Получится 340000000000000000000000000000000000000. Аналогично 3,4 × 10^–20 означает, что нужно сдвинуть запятую на 20 позиций влево, что в результате даст 0,000000000000000000034. Астрономия – наука больших чисел, и если бы в книгах по астрономии не использовалась сокращенная запись, то на них уходило бы слишком много деревьев.

Итак, каждую секунду огромное количество протонов (ядер водорода) сливаются в ядра гелия. Теперь начинается интересное. Я только что сказал, что масса ядра гелия почти в 4 раза больше массы протона. В действительности разница на ничтожную величину меньше. Входит 570 млн тонн водорода, выходит «почти» 566 млн тонн гелия – на 0,7 % меньше. Куда делись еще 4 млн тонн? Возможно, вы догадались: они преобразовались в энергию. E = mc² – снова Эйнштейн.

Таким образом, во время нашего мысленного эксперимента продолжительностью в одну секунду Солнце потеряло 4 млн тонн массы. Вот что я называю эффективной потерей веса! Если вы удивляетесь, как от него что-то еще остается при таких темпах, сделайте расчеты. Если потеря массы остается постоянной в течение жизни Солнца, составляющей 4,6 млрд лет (145 квадриллионов секунд), то Солнце сегодня на 6×10²³ тонн легче, чем было в момент рождения. Но это всего лишь 0,03 % его общей массы в 2×10²⁷ тонн – ничего особенного. Я беру назад слова о том, что это эффективная потеря веса: для человека в 100 кг сброшенные 0,03 % веса составляют каких-то 30 г.

Не вся теряемая масса превращается в энергию. При слиянии 4 ядер водорода в одно ядро гелия также образуются два позитрона и два нейтрино. Но в совокупности два позитрона весят меньше 0,1 % ядра водорода, а нейтрино фактически не имеет массы. Пока мы можем пренебречь этими частицами (хотя к нейтрино еще вернемся). В общем, Солнце каждую секунду преобразует 4 млн тонн своей массы в энергию. Это очень большая энергия: 400 квадриллионов ГДж – примерно в 1 млн раз больше ежегодного потребления энергии всем человечеством. В секунду! Если бы мы могли овладеть энергией одной секунды термоядерного синтеза Солнца, то не знали бы, что такое энергетический кризис, до 1 002 000 года.

Наш мысленный «эксперимент одной секунды» завершен, и реакции термоядерного синтеза чудесным образом остановлены. Что происходит с энергией? Она была выделена в форме энергичных гамма-лучей, которые, однако, в значительной мере заперты во внутренней области Солнца. Помните, плотность его ядра очень высока и газ, разогретый до 15 млн °С, практически непрозрачен. Фотоны гамма-лучей не могут продвинуться далеко. Они активно взаимодействуют с частицами газа. В результате энергия, выделившаяся за одну секунду, многократно поглощается, переизлучается и рассеивается в разных направлениях внутри Солнца. Это длительный процесс.

В абсолютном вакууме свет движется со скоростью 300 000 км/с. Казалось бы, излучение из внутренней области Солнца должно добираться до его поверхности всего за две секунды – путь составляет едва ли 700 000 км. В действительности из-за непрозрачности Солнца на это уходит около 100 000 лет. Итак, 400 квадриллионов ГДж атомной энергии, выделившейся всего за одну секунду нашего мысленного эксперимента, достигнет поверхности Солнца только через 100 000 лет. После этого свету понадобится лишь 8 минут 20 секунд, чтобы преодолеть почти абсолютный вакуум межпланетного пространства и дойти до Земли.

Очевидно, это означает, что энергия, которую мы получаем от Солнца сегодня, появилась почти 100 000 лет назад. В каком-то смысле мы купаемся в солнечной энергии, являющейся современницей примитивного Homo sapiens. Если по какой-то причине реакции термоядерного синтеза внутри Солнца вдруг остановятся, еще около 5000 поколений землян от этого не пострадают.

Итак, мы знаем, из чего состоит Солнце и как оно производит энергию. То же самое относится ко всем звездам ночного неба. Они являются атомными электростанциями из водорода и гелия, выделяющими колоссальную энергию каждую секунду. Однако, чтобы познакомиться с нейтронными звездами, нужно также узнать, как звезды рождаются и умирают.

_________

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.

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.

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 бóльшая 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 бóльшая 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 не намного 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!

_________

Причем здесь нейтронная звезда? Возможно, следовало сразу сказать, что Солнце недостаточно массивно, чтобы превратиться в нейтронную звезду. Как ни удивительны белые карлики, нейтронные звезды – еще более поразительные объекты. Чтобы сотворить их, нужно начать со звезды как минимум в 9 раз массивнее Солнца.

Как уже отмечалось, массивные звезды живут быстро и умирают молодыми. Их ожидаемая продолжительность жизни измеряется миллионами, а не миллиардами лет, как если бы эволюцию солнцеподобной звезды ускорили, нажав кнопку быстрой перемотки. Водородный синтез, расширение внешних оболочек, поджиг синтеза гелия, образование углеродно-кислородного ядра, потеря наружной водородной мантии – все происходит намного быстрее.

Дальнейшие события развиваются совершенно иначе. Причина проста. В звезде, имеющей массу, значительно превышающую солнечную, внешние слои сильно давят на ядро. Достигаются гораздо более высокие плотность и температура углеродно-кислородного ядра, чем это будет у Солнца: более 3 кг/мм³ и около 500 млн °C. Этого хватает для запуска очередного цикла реакций термоядерного синтеза, только теперь атомный двигатель в ядре звезды работает не на водороде, а на углероде.

Если оставить детали в стороне, примерно через 1000 лет (в зависимости от массы звезды) углерод превращается в неон, магний, натрий и кислород – космическая алхимия! Как только углерод заканчивается, ядро звезды снова начинает сжиматься. Его плотность и температура еще сильнее увеличиваются – настолько, что неон переходит в магний.