Текст книги "Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы"

4
Млечный Путь и населяющие его звезды

Скрытая жизнь звезд

Нам, людям, кажется, что звезды на небе никогда не меняются. Но это не так – они меняются, но только очень-очень медленно. Они живут своей уникальной жизнью, и можно сказать, что у каждой звезды есть своя биография.

Звезды рождаются и умирают, происходят из праха и в прах возвращаются. Подобно растениям и животным на Земле, они участвуют в непрерывном цикле рождения-роста-распада. Когда звезды испускают последний вздох и сбрасывают свои внешние оболочки обратно в космос, с участием этих оболочек начинается процесс рождения новых звезд. Ведь когда звезда впадает в предсмертную агонию, она выбрасывает в космос газ и пыль, собирающиеся там в гигантские облака, которые затем обогащаются пеплом активных звезд. Эта химическая смесь создает идеальную почву для зарождения новых звезд и планет.

Межзвездные облака из газа и пыли, простирающиеся иногда на десятки и сотни световых лет, вероятно, одно из самых красивых зрелищ во Вселенной. Если поглубже заглянуть в наш Млечный Путь, то можно увидеть, как их там много. Эти причудливые гигантские облака могут ярко сиять, а могут выглядеть темными клочковатыми пятнами на фоне Млечного Пути. Наша Галактика своими мощными спиральными рукавами сгребает их в кучу – подобно снегоуборщику, сгребающему свежий снег. В телескоп эти образования кажутся фантастическими космическими произведениями искусства.

Всего в 1 300 световых годах от нас находится туманность Ориона – одно из самых красивых облаков в нашей Галактике. Эта светящаяся туманность – единственная, которую мы при благоприятных условиях можем увидеть невооруженным глазом. Окутанная светящейся пеленой, туманность Ориона представляет собой гигантское “родильное отделение” для молодых и горячих звезд. Туманность Ориона светится в основном красным и розовым светом с вкраплениями голубого (цветовые оттенки едва заметны). Ее самая центральная часть остается скрытой для человеческого глаза, потому что пыль поглощает весь свет оптического диапазона, идущий изнутри облака. Только длинные волны могут преодолеть этот пылевой фильтр, и только в этом диапазоне длин волн астрономы могут что‐то узнать про структуру центральной части таких облаков. Например, без особого труда отыскивают путь наружу инфракрасное тепловое излучение горячего газа и радиочастотное излучение. Подобно проникающим в ткани человеческого тела рентгеновским лучам, эти электромагнитные волны способны проходить сквозь молекулярные облака.

И точно так же, как горячие элементы в газах или на поверхности звезд испускают свет определенного цвета, то есть собственный уникальный “штрих-код”, излучение молекул в пылевых облаках также характеризуется соответствующими штрих-кодами[60]60
  См. Глоссарий, Спектроскопия.


[Закрыть]. Особенно много таких характеристических линий в высокочастотном излучении. Длины волн этого света составляют всего несколько миллиметров или даже меньше. В повседневной жизни мы встречаемся с такими волнами в основном благодаря современным сканерам в аэропорту, через которые нас заставляет пройти служба безопасности.

На Земле мы можем измерить излучение космических газовых облаков с помощью радиотелескопов. За последние 40 лет во всем мире было построено множество радиотелескопов для наблюдения за поведением таких молекул, находящихся в космосе. Самый большой в Северном полушарии радиоинтерферометр NOEMA Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM) установлен на плато де Бюр во Французских Альпах, где на высоте 2 550 метров над уровнем моря вздымаются над заснеженным горным склоном сверкающие на солнце одиннадцать посеребренных 15‐метровых антенн телескопа. А крупнейшим в мире радиоинтерферометром такого типа является Атакамская большая миллиметровая антенная система (ALMA), находящаяся в Чили, то есть в Южном полушарии. Телескоп ALMA состоит из 66 тарелок, большинство из которых имеет диаметр 12 метров. Телескоп, управляемый совместно европейскими, американскими и японскими учеными, был построен на высоте 5 000 метров над уровнем моря – там, где воздух очень сухой и разреженный. (Влажная атмосфера на меньших высотах слишком сильно поглощала бы радиоволны с крошечной длиной волны.) Именно такие радиотелескопы сыграли решающую роль в получении изображения черной дыры.

Но вернемся в космос, туда, где рождаются звезды и газовые туманности. Те места в далеком-далеком мире кажутся нам заколдованными – ведь там внутри облака, словно по волшебству, образуются молодые звезды. Однако магия тут, разумеется, ни при чем и на самом деле в космосе действуют естественнонаучные законы. Газовые туманности состоят в подавляющем большинстве из водорода. Этот самый легкий из всех элементов – важнейший компонент, благодаря которому светится космос и образуются звезды. На Земле облака газа небольшие и быстро рассеиваются, а вот в космосе газа в одном месте собирается гораздо больше. Гравитация удерживает его внутри облаков, и они становятся все более плотными. Процессы в них, непосредственно предшествующие рождению звезды, описываются критерием Джинса (назван в честь британского астронома Джеймса Джинса). В облаке этого типа гравитация и давление газа всегда находятся в равновесии. Джинс понял, что нарушить этот баланс могут различные факторы; в частности, если масса облака превысит определенное значение, называемое массой Джинса, то облако сожмется, как бы “забеременев” и приготовившись к рождению новых звезд.

Иногда необходимо лишь небольшое сжатие, чтобы облако начало уплотняться под действием собственной гравитации. Постепенно температура в нем поднимается от –260 градусов до более чем 100 градусов по Цельсию и молекулы в облаке начинают излучать электромагнитные волны и отдавать энергию.

Как только температура газа достигает нескольких тысяч градусов, молекулы и атомы начинают распадаться, давление падает, и вся структура теряет устойчивость. Облако коллапсирует и распадается на мелкие фрагменты. По космическим меркам это происходит очень быстро: маленькой протозвезде требуется менее 30 000 лет, чтобы она осветила космос своими первыми лучами. Вначале она излучает теплый красноватый свет. Чтобы стать молодой звездой, ей нужно набраться терпения и подождать еще 30 миллионов лет. За это время из‐за огромного давления температура поднимется до нескольких миллионов градусов – и в какой‐то момент начнется ядерный синтез. Тогда водород начнет превращаться в гелий, в точности как в нашем Солнце. В конце концов родится новая звезда, похожая на тысячи звезд, сияющих сейчас на небе.

Комочки становятся планетами

В этих космических облаках образуются не только звезды. Исходя из данных наших сегодняшних наблюдений, мы также можем представить, как формировались и развивались целые планетные системы. Когда облака сжимаются, пыль собирается в большие диски, медленно вращающиеся вокруг звездного зародыша. Чем ближе к центру оказывается материя, тем быстрее она движется.

Мы все знакомы с этим эффектом по пируэту фигуристов: когда их руки вытянуты, спортсмены медленно вращаются на месте, а когда прижаты к телу, скорость вращения увеличивается. Физики описывают этот процесс в скучных научных терминах следующим образом: угловой момент равен произведению массы на радиус и на скорость, и он остается постоянным. Если радиус уменьшается, скорость должна увеличиться. То же самое и с пылевыми облаками в космосе, которые вращаются вокруг молодых звезд или даже полностью их обволакивают. Чем больше они сжимаются, тем быстрее вращаются, и тогда из материи начинают формироваться диски.

По сути, процесс, происходящий при образовании планет, точно такой же, как тот, что происходит при звездообразовании: внутри диска начинают формироваться небольшие комочки. Разница только в том, что теперь из комков пыли образуются не звезды, а планеты. Я бы сравнил этот процесс с приготовлением в сотейнике соуса из порошка: если, всыпав его в воду, вы перемешиваете смесь недостаточно быстро, то вместо загустевшей однородной массы – настоящего соуса – у вас получатся комочки, плавающие в жидкости. Эти протопланеты никогда не нагреваются настолько, чтобы внутри их ядер начался ядерный синтез, поскольку их масса слишком мала, а давление слишком низко. Планеты растут и, по мере движения по своим орбитам, всасывают пыль и проделывают борозды в пылевых дисках вокруг молодой звезды. На изображениях, полученных телескопом ALMA, вы можете увидеть такие диски с прорезанными вокруг протозвезд бороздами: они выглядят, как гигантские кольца Сатурна[61]61
  Joshua Sokol. Stellar Disks Reveal How Planets Get Made. // Quanta Magazine, May 21, 2018. https://www.quantamagazine.org/stellar-disks-reveal-how-planets-get-made-20180521.


[Закрыть].

Вращение дисков также объясняет формирование орбит наших планет. Все планеты образовались внутри первичного пылевого диска, вращавшегося вокруг Солнца. Породила нашу планетную систему медленно нагревающаяся протозвезда, которая вначале была ледяной принцессой, а позже стала Солнцем.

На периферии нашей Солнечной системы все еще обнаруживаются куски льда, оставшиеся от ранней фазы этого процесса. Это кометы, которые образовались, когда вода, камни и пыль слипались в грязные глыбы льда. Не каждый маленький комочек во вращающемся пылевом диске становится маленькой протопланетой. Из некоторых в лучшем случае получаются карликовые планеты (такие как Плутон) или даже более мелкие каменные глыбы (такие как планетоиды и астероиды). Им не хватает гравитации, чтобы превратиться в объекты совершенной круглой формы.

В конечном счете строительный материал для зарождения жизни был занесен на Землю именно со звездной пылью. В результате этого процесса вода и множество органических молекул, очутившись на Земле, прижились там. Все элементы, из которых мы состоим, сначала были образованы внутри звезд, потом превратились в молекулы внутри облаков пыли, а затем, наконец, попали к нам на Землю во время ее рождения и младенчества. Мы, люди, существа космические, и наши тела в прямом смысле состоят из космической пыли[62]62
  Небольшое присутствующее в нас количество атомов водорода, возможно, никогда не находилось в звездах, а дрейфовало к нам через пространство в диффундирующем газе с момента Большого взрыва.


[Закрыть].

Жизнь в космосе

При взгляде на эту пыль и на все эти планетарные диски мы начинаем задаваться вопросом: а не может ли жизнь существовать и еще где‐нибудь? Одиноки ли мы в космосе, или там есть другие формы жизни? Даже будучи маленьким ребенком, я спрашивал себя об этом, и подобные мысли должны возникать почти у любого человека, начинающего осознавать огромность Вселенной.

В середине 90-х годов, когда моя научная карьера только-только стартовала, за пределами нашей Солнечной системы была известна всего одна планета, и она, как ни странно, обращается вокруг мертвой звезды – пульсара PSR 1257+12. Ее в 1992 году открыли польский астроном Александр Вольщан и его американский коллега Дейл Фрайл. Тогда было высказано общее предположение, что среда на этой планете не особо пригодна для жизни. В 1995 году, вскоре после того, как я получил докторскую степень, Мишель Майор и его докторант Дидье Кело, работая в Обсерватории Верхнего Прованса, построенной недалеко от Марселя, открыли за пределами нашей Солнечной системы еще одну планету. Эти двое ученых получили за ее открытие Нобелевскую премию. Новая планета, которую позже назвали Димидий[63]63
  Первоначально планета Димидий называлась “51 Пегаса b”. Большинство астрономов признает и это название.


[Закрыть], находится в созвездии Пегас, в пятидесяти световых годах от нас. Она обращается вокруг звезды Гельвеций (51 Пегаса), очень похожей на наше Солнце.

К настоящему же моменту мы нашли свидетельства существования тысяч планет (их обычно называют экзопланетами) в других солнцеподобных системах. Но это почти ничто по сравнению с количеством планет, которые должны быть во всей галактике Млечный Путь. Согласно статистике, их может насчитываться до ста миллиардов, а то и намного больше. Но явных признаков жизни пока нигде не обнаружено. Тем не менее вполне вероятно, что в этом мире мы не одиноки. В настоящее время все больше и больше астрономов не только осмеливаются предполагать это вслух, но еще и рассуждают об инопланетянах.

Разумная жизнь могла бы обнаружить себя, отправляя в космос радиосигналы, и десять лет назад мы с моим аспирантом предприняли попытку найти сигналы от внеземных цивилизаций[64]64
  J. E. Enriquez, et al. The Breakthrough Listen Initiative and the Future of the Search for Intelligent Life. // American Astronomical Society Meeting Abstracts 229 (2017): 116.04. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017Aas…22911604E.


[Закрыть], просматривая данные с радиотелескопа LOFAR. (Из-за чего мои голландские коллеги начали бросать на меня странные взгляды.) Но позже, когда этот мой аспирант стал научным сотрудником в Калифорнийском университете в Беркли, последний получил от российского миллиардера Юрия Мильнера целых 100 миллионов долларов на финансирование проектов по поиску внеземных цивилизаций. Хотел бы я обзавестись такими финансами для своих исследований! Однако еще до истории с грантом от Мильнера астрофизик Джилл Тартер (прототип Элли – героини фильма “Контакт”) на средства от грантов основала Институт SETI в Калифорнии. Аббревиатура SETI расшифровывается как Search for extraterrestrial intelligence, что как раз и означает “поиск внеземного разума”.

Мы до сих пор не нашли никакого разума в космосе (а некоторые из моих коллег даже сказали бы, что и на Земле тоже), но зато процесс поиска инопланетян привел к нескольким техническим прорывам, которые оказались полезны для радиоастрономии. Проект SETI потребовал уникального программного обеспечения и мощных компьютеров для быстрой обработки больших объемов данных, а также компьютерных специалистов высочайшего класса, таких как Дэн Вертимер. (Вертимер был членом знаменитого Клуба домашних компьютеров, а также тусовки, в которую входили Билл Гейтс – основатель компании Microsoft – и создатели Apple Стив Джобс и Стив Возняк. Последние трое членов клуба, в отличие от Вертимера, впоследствии стали очень богатыми.) Он запустил проект SETI в Калифорнийском университете в Беркли. Позже мы стали использовать в своей работе быстрые компьютерные процессоры Вертимера, позволявшие справляться с потоком данных, полученных с помощью наших телескопов, и нам очень пригодилась его помощь.

В результате первым полученным нами изображением черной дыры мы обязаны не только телескопам субмиллиметрового диапазона (которые были построены, чтобы рассмотреть те области космоса, где рождаются звезды и молекулярные облака), но и казавшимся тогда эксцентричными поискам внеземных цивилизаций.

Есть ли на самом деле жизнь где‐то за пределами Земли, мы не узнаем, пока не найдем ее. Для меня это чисто научный вопрос. Ни общество, ни религия не рухнут, если мы обнаружим внеземную жизнь, и после небольшого переполоха мир вернется к своим обычным делам. То, кем мы являемся, зависит прежде всего от нас самих, а не от неких инопланетян, которые могут обитать где‐то ужасно далеко. Все потенциально обитаемые планеты находятся на расстоянии многих сотен или даже тысяч световых лет, так что любое общение с их обитателями может происходить на протяжении жизни нескольких поколений. Вместо того чтобы ждать спасения из космоса, мы должны бережно относиться друг к другу и следить за тем, чтобы все было в порядке с нашей собственной планетой.

5
Мертвые звезды и черные дыры

Смерть в небе: как умирает звезда

Звезды рождаются, и звезды умирают, тем самым расчищая пространство для новой жизни, в том числе и для черных дыр, которые образуются из мертвых звезд. В космосе абсолютно все связано, и смерть там имеет свою привлекательность, – хотя и наводит ужас.

Несколько лет назад я был на симпозиуме в США, посвященном астроному Миллеру Госсу. Из сонного городка Сокорро, штат Нью-Мексико, он руководил двумя крупнейшими и наиболее успешными радиоинтерферометрами в Соединенных Штатах: VLA (Очень большой антенной системой) и VLBA (Антенной системой со сверхдлинными базами). Однако важнее было то, что он оказал поддержку многим молодым ученым, в том числе и мне. Коллеги со всего мира собрались отдать ему дань уважения. Чтобы отметить окончание симпозиума, он организовал поездку в одно из своих любимых мест. Мы поехали в знаменитый каньон Чако, где находится индейское поселение с поражающими воображение глиняными сооружениями, которые коренные американцы построили некогда в первом тысячелетии нашей эры. На краю этого поселения расположен небольшой огороженный участочек. Как рассказал нам бородатый рейнджер, прежде здесь обитал звездочет.

Я представил себе застывшую фигуру старого индейца, каждую ночь следившего отсюда за движением звезд. Когда же тьма рассеивалась и на землю, окрашивая все вокруг в цвет зари, падали первые солнечные лучи, для звездочета наступал самый величественный момент, ибо приход рассвета был для него важнейшим ежедневным ритуалом. Возможно, он чувствовал облегчение от того, что Земля и природа продолжают свое существование. Возможно, полагал восход символом течения времени. А может, просто радовался тому, что жизнь идет дальше, что появляется свет и Солнце согревает землю, пробуждая птиц и одаряя своим теплом скудную растительность.

Для предков жителей этого пуэбло каньон служил календарем. Они могли проследить точку восхода Солнца над крутым выступом утеса и по нему точно определить день года. Из-за движения Земли точка восхода Солнца немного смещалась осенью на юг, а весной – на север.

Старик, наблюдавший звезды задолго до прибытия в Новый Свет Христофора Колумба, мог, однако, увидеть и кое‐что еще, поскольку чуть менее тысячи лет назад произошло некое чрезвычайно редкое астрономическое явление. Не исключено, что найденный неподалеку петроглиф – это изображение как раз того яркого небесного объекта, который в один прекрасный день вспыхнул так ярко, что его можно было заметить даже днем.

В 1054 году люди в разных концах земного шара с изумлением наблюдали за странным небесным явлением; некоторые даже увидели в нем дурное предзнаменование и стали опасаться приближения великой катастрофы. Астрономы династии Сун в древнем Китае сделали точные записи об этом космическом чуде в своих хрониках, поведав о “звезде-гостье”, сиявшей на небосводе так же ярко, как Венера. О новой звезде написал даже один арабский врач.

Европейцы, возможно, тоже восхитились появлением днем в небе “яркого светила”, хотя задокументированных свидетельств этого, к сожалению, не осталось. Так что же за удивительный феномен заставил людей по всему миру написать о нем в своих хрониках?

Это была сверхновая, гигантский звездный взрыв[65]65
  G. W. Collins, W. P. Claspy, and J. C. Martin. A Reinterpretation of Historical References to the Supernova of AD 1054. // Publications of the Astronomical Society of the Pacific 111, no. 761 (1999): 871–80. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs /1999PASP..111..871C.


[Закрыть]. Он произошел на расстоянии 6 000 световых лет в нашем Млечном Пути. Петроглиф в каньоне Чако, где когда‐то восседал старый индеец пуэбло, – это полумесяц, нарисованный красной краской на желтой скале. Рядом с ним видна большая, почти одного размера с Луной, звезда. Круглая, с исходящими из нее лучиками – словно бы запечатленная ребенком. “Именно так индейские художники того времени изображали сверхновую”, – сказал нам рейнджер из национального парка, хотя астрономы, составлявшие нашу группу, не очень этому поверили. Эксперты до сих пор спорят, изображена ли на рисунке знаменитая сверхновая 1054 года или что‐то другое[66]66
  Некоторые ученые действительно связывают пиктограмму в каньоне Чако со сверхновой, взрыв которой произошел 4 июля 1054 года в восточной части созвездия Телец: https://www2.hao.ucar.edu/Education/SolarAstronomy/supernova-pictograph. Однако недавно эта версия была поставлена под сомнение: Clara Moskowitz. ‘Supernova’ Cave Art Myth Debunked. // Scientific American, January 16, 2014. https://blogs.scientificamerican.com/observations/e28098supernovae 28099‐cave-art-myth-debunked.


[Закрыть]. Сам‐то я считаю маловероятным, что такое экстраординарное событие могло остаться незамеченным.

Вообразите себе звезду в виде воздушного шара, наполненного горячим воздухом. Из-за того, что воздух нагрет, шар остается надутым, но когда мы перестаем нагревать находящийся внутри него воздух, он остывает, давление падает – и шар сдувается. Звезды заканчивают свою жизнь примерно так же. Как только их топливо сгорает, они погибают. Как и когда они “умрут”, зависит от их массы. Легкие звезды – а их подавляющее большинство – живут долго и под конец жизни истощаются и начинают тлеть.

Продолжительность жизни нашего Солнца можно охарактеризовать как среднюю. Если бы оно начало вдруг коллапсировать, то “на старте” процесса еще могло бы включить свой “форсаж”. В сердце звезды – горячем ядре – скапливается продукт ядерного синтеза – гелий. При высоком собственном давлении взрывающейся звезды температура в какой‐то момент снова начнет расти, гелий превратится в углерод – и при этом высвободятся последние запасы энергии. В результате внешняя оболочка распухнет. Незадолго до своей гибели Солнце раздуется, превратится в красного гиганта и поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, даже Землю.

Звезды с массой больше массы нашего Солнца в последние моменты своей жизни выбрасывают в космос газ и плазму. В результате этого образуются принимающие удивительные формы планетарные туманности, которые при освещении их изнутри светом умирающих звезд окрашиваются в невероятные цвета. Это зрелище длится всего “одно мгновение космического ока”: в течение нескольких тысяч лет планетарные туманности исчезают. Такое их название может ввести в заблуждение, поскольку эти объекты не имеют с планетами ничего общего, но в XVIII веке, когда их обнаружили с помощью телескопов того времени, они выглядели, как далекие планеты, состоящие из газа.

В центре умирающих звезд скапливается спрессованный продукт ядерного синтеза, на который давит весь вес сгоревшей звезды. Это давление становится настолько большим, что атомы все сильнее прижимаются друг к другу – до тех пор, пока между ними не останется пустого места и они не выстроятся, так сказать, “плечом к плечу”. Давление электронов этих атомов будет препятствовать дальнейшему коллапсу звезды, поскольку электроны, которые вращаются вокруг отдельных атомных ядер, являются фермионами. Фермионы – физические “одиночки”: фермион не может “делить ложе” ни с одним другим фермионом. Когда ядро звезды слишком сожмется, давление фермионов станет противодействовать давлению гравитации и тем самым предотвратит полный коллапс выгоревшего ядра.

Если внешние оболочки звезды уже сброшены, то все, что остается от звезды, – это маленькое, плотно упакованное, ярко светящееся ядро из углерода: белый карлик размером с Землю, но тяжелый, как Солнце. Чайная ложка вещества, из которого состоит белый карлик (в каковой через несколько миллиардов лет превратится и наше Солнце), весит около девяти тонн – примерно как самосвал. Поверхность карлика остается очень горячей и продолжает излучать тепловую энергию в космос в течение очень долгого времени, но в конце концов мертвая звезда превратится в холодный кристалл углерода идеальной сферической формы – гигантский космический алмаз.

В этом процессе играют роль различные квантово-механические эффекты, рассчитанные индийским физиком Субрахманьяном Чандрасекаром, который в 1930 году, в возрасте всего девятнадцати лет, отправился на корабле в Англию, чтобы продолжить в Кембридже начатое в Индии изучение физики. В пути у него было много свободного времени, и он рассчитал максимальную массу, которой может достичь белый карлик, получив для нее значение, равное 1,44 массы Солнца.

А что произойдет с гораздо более тяжелой, чем наше Солнце, звездой, давление в которой поднимется до такой степени, что станет буквально невыносимым? Звезда, в восемь раз более тяжелая, чем Солнце, сможет подключить больше дожигателей для предотвращения своего коллапса. Ядро такого гигантского солнца станет выгорать слой за слоем (подобно очистке луковицы от слоев шелухи), и с каждым сгоревшим слоем будет высвобождаться дополнительная энергия. Чем ближе оболочка к центру, тем горячее она становится, сжигая окружающее ее отработанное вещество предыдущего слоя, – в результате чего образуются все более тяжелые атомные ядра. Водород превращается в гелий, гелий превращается в углерод, углерод и гелий превращаются в кислород, кислород превращается в кремний, а кремний превращается в железо. Каждый последующий этап процесса выжигания протекает быстрее, чем предыдущий. Чтобы сжечь гелий и превратить его в углерод, требуется миллион лет, а сжигание всего кремния с образованием железа занимает лишь несколько дней.

И этим все кончается! С энергетической точки зрения железо имеет самое компактное атомное ядро из всех. Если давление поднимется настолько, что железо будет плавиться с образованием новых элементов, то в этом процессе энергия будет уже не выделяться, а поглощаться, и, значит, потребуется закачка дополнительной энергии. И внезапно процессы, при которых все большее и большее количество энергии выжималось из атомов путем простого увеличения давления, перестают работать, вместо нагрева атомов происходит их охлаждение, и давление начинает снижаться. Последняя шаткая опора, поддерживающая ослабевшую старую звезду, выбивается из‐под ее ног, и она встречает свою смерть. В течение всего нескольких минут ядро взрывается, так как умирающая звезда больше не может выдерживать давление собственной гравитации.

Внутреннее давление в “звездном трупе” увеличивается до такой невообразимой степени, что разрушает даже плотно упакованные атомы, то есть ядро такой звезды становится тяжелее верхнего предела для массы белых карликов, рассчитанного Чандрасекаром. Но есть еще одна – последняя – остановка перед неизбежным и окончательным коллапсом. Электроны, обычно находящиеся на определенных расстояниях от атомных ядер, теперь вдавливаются в них и сливаются с протонами, превращая их в нейтроны, – и тогда внешняя оболочка атома сливается с ядром, в результате чего размер этих атомных остатков становится в 10 000 раз меньше обычных атомов.

Представим себе атом с электронной оболочкой размером со стадион “Рейн Энерги”, где играет моя любимая, но не очень успешная футбольная команда клуба “Кёльн”. Размер ядра в нем будет примерно соответствовать пятицентовой монете, положенной на центральную отметку поля, а это значит, что известная нам материя, состоящая из атомов, содержит огромные пустоты. Если атомы звезды превращаются в чистые нейтроны, то звезда сжимается и становится нейтронной звездой. Масштабы коллапса можно представить, если вообразить, что весь стадион стягивается в пространство, занимаемое маленькой монеткой. В нейтронной звезде масса, превышающая массу Солнца более чем в полтора раза, сжимается в сферу диаметром всего 24 километра. Плотность в ней невероятно высока. Пять миллилитров вещества нейтронной звезды будут весить 2,5 миллиарда тонн. Это эквивалентно тому, что массу, в 8 000 раз превышающую массу Кёльнского собора, мы поместим в одну чайную ложку.

Долгое время нейтронные звезды казались дикими фантазиями, но все изменилось 28 ноября 1967 года, когда Джоселин Белл и ее научный руководитель Энтони Хьюиш обнаружили в Радиоастрономической обсерватории Малларда в Кембридже странный радиосигнал[67]67
  Точнее, сам сигнал Джоселин Белл обнаружила 6 августа 1967 г., а к 28 ноября он был надежно разделен на серию импульсов с периодом 1,337 с. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Это открытие имело историческое значение. Сигнал состоял из многих коротких импульсов, которые приходили на Землю через определенные одинаковые промежутки времени. Объект был похож на космические тикающие часы, поэтому его назвали пульсаром. Сначала оба ученых немного опешили от точности, с которой воспроизводился интервал между импульсами, и полушутя назвали радиообъект LGM, что расшифровывалось как “маленькие зеленые человечки”. Вскоре, однако, выяснилось, что обнаруженный ими объект с огромной скоростью вращался вокруг своей оси и был чрезвычайно маленьким и необычайно тяжелым. На самом деле это была нейтронная звезда – мертвая звезда, тяжелая, как Солнце, и такая же большая, как Нордлингер Рис – старый кратер в Баварии, образовавшийся при падении метеорита. Не каждая нейтронная звезда становится пульсаром, но каждый пульсар – нейтронная звезда. Подобно космическому маяку, он посылает свои радиосигналы в космос в виде двух лучей света, которые достигают нас через равные промежутки времени и вызывают в небе вспышки “радиомолний”. Поскольку объект очень стабилен и массивен, он функционирует как гигантское балансирное колесо. Он “тикает” точнее любых атомных часов. Из-за необычайной стабильности пульсаров и воспроизводимости сигналов от них мы можем использовать пульсары в многочисленных экспериментах по проверке теории относительности[68]68
  Ingrid H. Stairs. Testing General Relativity with Pulsar Timing. //Living Reviews in Relativity 6 (2003): 5. https//ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003Lrr…..6….5S.


[Закрыть]. Известным примером является двойной пульсар PSR J0737–3039[69]69
  M. Kramer and I. H. Stairs. The Double Pulsar. // Annual Review of Astronomy and Astrophysics 46 (2008): 541–72. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008 ARA&A..46..541K.


[Закрыть], который на самом деле представляет собой пару пульсаров, обращающихся друг относительно друга. Прецессия эллиптической орбиты, подобная прецессии, которую мы наблюдали у Меркурия и из‐за которой сердце Эйнштейна чуть не выпрыгнуло из груди, здесь происходит в 10 000 раз быстрее, и астрофизики рассчитали ее с точностью до пятого знака после запятой.

Превращение в нейтронную звезду – это впечатляющее событие, происходящее со звездами, масса которых более чем в восемь раз превышает массу Солнца. Такое сверхсолнце умирает эффектнее, чем это сделала бы наша собственная звезда – Солнце. Сгорание сверхсолнца сопровождается галактическим фейерверком. Под давлением коллапсирующей массы в ядре оно (ядро) внезапно превращается в нейтронную звезду, а остальная часть звезды взрывается со сверхзвуковой скоростью. Электроны и протоны мгновенно соединяются в атомном ядре, испуская большое количество легчайших нейтрино, которые еще больше увеличивают энергию внешней оболочки звезды. После этого разрушительная ударная волна, пронесясь через всю звезду и устремившись наружу, в конце концов разрывает звезду на части. Астрономы называют такой галактический взрыв сверхновой. Она вспыхивает в космосе, и это очень впечатляющее зрелище. Именно ему могли бы поразиться как коренные американцы в каньоне Чако, так и жители многих других уголков земного шара, наблюдавшие в тот момент звездное небо.

Давайте попробуем представить себе сверхновую: всего за долю секунды этот галактический взрыв высвобождает больше энергии, чем Солнце произвело за всю свою жизнь. Но даже сверхновой требуется несколько недель для того, чтобы весь свет прорвался через расширяющуюся внешнюю оболочку звезды. В результате иногда сверхновую можно наблюдать месяцами. В условиях экстремальных температур и давлений в сверхновой образуется много новых, более тяжелых, чем железо, элементов. Кобальт, никель, медь и цинк выбрасываются в космос в виде газовых облаков при температуре порядка миллионов градусов, и там горение продолжается.

Эти ударные волны распространяются в межзвездном пространстве со скоростью десятков тысяч километров в секунду, а их фронт имеет сферическую форму. Фактически они представляют собой массивные ускорители космических частиц, и некоторые атомные ядра разгоняются ими почти до скорости света. Они дрейфуют по Млечному Пути в межзвездном пространстве вдоль силовых линий турбулентного магнитного поля, а исчезающе малая их часть обрушивается на Землю в виде потока частиц высокой энергии, которые мы называем космическими лучами.

Эти ударные волны мы можем наблюдать и сегодня. В 2009 году один из моих бывших студентов[70]70
  Андреас Брунтхалер случайно обнаружил сверхновую SN 2008iz в своих данных.


[Закрыть] обнаружил новый источник радиоизлучения в соседней с нами галактике М82. Мы увидели яркое кольцо, излучающее радиоволны, которое расширялось со скоростью 12 000 километров в секунду в течение нескольких месяцев[71]71
  N. Kimani, et al. Radio Evolution of Supernova SN 2008iz in M 82. //Astronomy and Astrophysics 593 (2016): A18. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016 A&A…593A..18K.


[Закрыть]. Исходя из скорости и размера объекта, мы смогли сделать вывод, что там была звезда, которая взорвалась годом раньше, – то есть мы открыли сверхновую 2008iz. Она пряталась за громадным облаком пыли и потому оставалась скрытой для всех других телескопов. Это был чрезвычайно увлекательный процесс – переживать самому, непосредственно, космическую драму, похожую на те, которые мы видели только в научно-фантастических фильмах или о которых читали в сухой академической литературе.