Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Заключительная стадия (индикация электронов, возникающих при распадах ядер аргона-37) не вызывала затруднений, так как детекторы таких электронов уже достигли довольно высокого совершенства.

Здесь нет места рассказу о трудоёмких проверках эффективности детектора нейтрино, об оценках возможных помех и о новых расчётах величины потока нейтрино, испускаемых Солнцем. Скажем только, что первые результаты опытов были обескураживающими. Удалось зафиксировать лишь десятую часть от того количества нейтрино, которое должно было бы возникнуть в ходе углеродо-азотного цикла горения водорода. И лишь половину от того количества, которое могло бы возникнуть при непосредственном синтезе гелия из протонов. Как это понять? Какие выводы очевидны?

Попытки объяснить этот результат привели к возникновению новых гипотез. Например, Понтекорво и В.Н. Грибов предположили, что почти половина нейтрино, рождающихся в недрах Солнца (электронные нейтрино), может на пути из недр Солнца к детектору превращаться в нейтрино другого типа — мюонные нейтрино, а детектор Девиса не способен их обнаружить.

Нам интересно знать, как и почему обыкновенная звезда становится сверхновой, какие процессы превращают её в очаг ярчайшего излучения. Поэтому, ознакомившись с нейтрино и с возникновением нейтринной астрономии, уясним суть такого явления, как гравитационный коллапс звёзд.

Повторим, что длительное свечение звёзд обеспечивается энергией, возникающей за счёт термоядерных реакций, происходящих в их недрах. Помните, мы говорили о «горении» протонов, о превращении протонов в ядра гелия? Именно это обеспечивает наиболее длительную часть эволюции нормальных звёзд.

Когда значительная часть протонов исчерпана, выделение термоядерной энергии уменьшается. И внутреннее давление в звезде уже не способно уравновесить гравитационные силы, стремящиеся сжать звезду. При сжатии радиус звезды стремительно уменьшается, а гравитационная энергия переходит в тепловую.

Когда температура в центре звезды увеличивается с двадцати до двухсот миллионов градусов, начинается новый цикл термоядерных реакций. Результатом этого цикла является превращение трёх ядер гелия в одно ядро углерода, что тоже сопровождается выделением большого количества энергии и на время останавливает сжатие звезды. После исчерпания гелия равновесие звезды вновь нарушается, её радиус быстро уменьшается, а температура ещё более увеличивается за счёт превращения гравитационной энергии в тепловую. При этом включается новая термоядерная реакция, вновь обеспечивающая выделение энергии, и звезда опять приходит в стационарное состояние. Так происходит несколько раз в зависимости от исходной массы звезды.

Если масса звезды меньше или равна массе Солнца, то её гравитационной энергии недостаточно, чтобы обеспечить увеличение температуры, необходимой для начала одного из очередных циклов термоядерной реакции. При этом звезда превращается в белого карлика. Температура карлика постепенно уменьшается. Это неизбежно, и её падение происходит по мере исчерпания энергии радиоактивных превращений. Идёт также медленное выделение гравитационной энергии при постепенном сжатии звезды.

Если же масса звезды превосходит 1,2 массы Солнца, то её ждёт иная судьба. Одна за другой последовательно включаются новые термоядерные реакции. Каждая из них начинается после того, как очередная стадия сжатия увеличивает температуру ядра звезды до порога, за которым начинается эта реакция. Затем следует новая спокойная стадия — сгорают наиболее лёгкие из оставшихся ядер. В качестве «золы» при этом горении возникают более тяжёлые ядра. Так рождаются гелий при горении водорода и углерод при горении гелия.

Каждая спокойная стадия завершается исчерпанием «золы», возникшей на предыдущей стадии. При этом прекращается выделение энергии, необходимой для поддержания гравитационного равновесия звезды. Начинается новая стадия сжатия. Она сопровождается быстрым нагревом звезды, превращением новой порции гравитационной энергии в тепловую и включением следующего цикла термоядерных реакций.

Когда большая часть вещества звезды превращается в ядра железа (наиболее устойчивые из ядер), эти процессы заканчиваются. Ядра железа не способны превращаться в ядра более тяжёлых элементов без затраты энергии, поступающей извне. Поэтому невозможно термоядерное горение ядер железа с выделением энергии.

Теперь равновесие между выделением термоядерной энергии и гравитационными силами нарушается в последний раз. Звезда начинает катастрофически сжиматься. Скорость сжатия близка к скорости свободного падения и увеличивается по мере уменьшения радиуса звезды, несмотря на увеличение плотности и температуры внутренних частей звезды. Именно такое катастрофическое сжатие называют гравитационным коллапсом.

В ходе гравитационного коллапса гравитационная энергия стремительно переходит в тепловую. Температура звезды увеличивается. Но повышение температуры не может вызвать горения ядер железа, образовавшихся в процессах термоядерного синтеза. Вместо этого они вновь распадаются, превращаясь в конце концов в протоны и нейтроны. Процессы расщепления ядер железа и других ядер, возникающих в ходе термоядерного синтеза, идут с поглощением энергии. При этом коллапс всё более ускоряется. Ведь поглощение энергии расщепляющимися ядрами препятствует увеличению температуры и давления в коллапсирующем ядре звезды. В заключительной стадии процесса протоны превращаются в нейтроны. Такая реакция идёт с поглощением энергии. Этот процесс назван нейтронизацией. Он сопровождается рождением нейтрино. Нейтрино, покидая ядро коллапсирующей звезды, уносят с собой энергию, что тоже замедляет рост давления и температуры, а это в свою очередь ускоряет коллапс. Что это — конец или начало новой жизни звезды?

Дальнейшая судьба звезды зависит от её первоначальной массы. Если она не превышает двух масс Солнца, то сжатие звезды прекратится, когда её радиус достигнет приблизительно десяти километров. При этом температура поднимется до 1011 градусов. Всё вещество звезды превращается в нейтроны с незначительной примесью протонов и ядер других элементов. Звезда становится огромной каплей нейтронной жидкости, окружённой тонкой коркой, состоящей главным образом из ядер железа.

Возможность существования таких нейтронных звёзд предсказал замечательный советский физик, академик Л. Д. Ландау в 1932 году вскоре после открытия нейтрона.

После того как в 1967 году Э. Хьюиш при помощи радиотелескопа открыл пульсары — источники импульсов радиоволн, возникающих с чрезвычайно высокой точностью повторения, учёные установили, что пульсары являются быстро вращающимися нейтронными звёздами.

Читатель спросит: а если масса звезды была больше удвоенной массы Солнца? Что тогда?

Если первоначальная масса звезды превосходит две массы Солнца, то даже внутреннее давление нейтронной жидкости не сможет уравновесить действие гравитационных сил. Сжатие звезды будет продолжаться, и она превратится в объект, о котором учёные узнали не так давно и который до сих пор поражает воображение. Это — чёрная дыра.

Существование чёрных дыр по существу не сюрприз, оно следует из Общей теории относительности. Эти, во многом ещё таинственные образования (так же, как нейтронные звёзды), заслуживают отдельного рассказа.

Это один из самых замысловатых и таинственных экспериментов Природы, и, возможно, роль их более значительна (в общении двух миров, в их взаимосвязи: космоса и микромира), чем мы сегодня себе представляем. Надо сказать, что звезда участвует в гравитационном сжатии не как единое целое.

Ему подвластны только внутренние части звезды. При этом звезда распадается на две части — сжимающееся ядро и отстающая от него оболочка. Когда при смене одной термоядерной реакции на другую гравитационные силы разогревают сжимающееся ядро, а его излучение раскаляет оболочку, эта оболочка расширяется. При этом яркость звезды возрастает. Так возникают сравнительно недолговечные «новые» звёзды.

В этот момент наш рассказ обретает свой кульминационный смысл: он должен прояснить, чем же отличаются новые звёзды от поразивших человеческое воображение сверхновых звёзд.

Когда вещество звезды после прохождения ряда циклов термоядерных реакций почти полностью превратится в ядра железа, выделение термоядерной энергии быстро уменьшается. Внутреннее давление звезды уже не сможет противостоять силе гравитации, сжимающей ядро звезды. Начнётся заключительный этап её активной жизни — гравитационный коллапс.

Гравитационный коллапс быстротечен. Он длится от одной до сотни секунд. Столь же быстро выделяется гравитационная энергия, нагревающая сжимающееся ядро звезды. Давление света, излучаемого раскалённым ядром, вызывает стремительное расширение оболочки звезды. Яркость её чрезвычайно сильно возрастает. Вот так и возникает сверхновая звезда — она становится видной с Земли. Так появилась и СН 1987А.