5
Ярче Sta миллиардов солнц
Уже в древности астрономы заметили, что время от времени внесало вспыхивают новые сверхъяркие звезды. Такая вспышка была, например, отмечана китайским астрономами в 1054 году в Крабовидной туманности, входящей в состав нашей Галактики. Сейчас «вспышки сверхновых» хорошо изучены и обнаружены не только в нашей Галактике, но и в других звездных скоплениях. За несколько месяцев сверхновая испускает столько же света, сколько целяя галактика, в которой входятдесятки или сотни миллиардов солнц. По интенсивности и длительности излучения можно было установить, что полная энергия, выделяющаяся при вспышке сверхновой, составляет Дж. Между тем тепловая энергия звезды в тысячу раз меньше. Значительно меньше и энергия, которая могла бы выделиться при химических превращениях. Откуда же береется громадная энергия сверхновой? Этот вопрос долго оставался без ответа. Надежды объявить вспышки сверхновых появились только после открытия ядерных реакций, освобождающих энергию в миллионы раз больше, чем химические превращения.
Итак, источником энергии сверхновой могли бы быть ядерные реакции, протекающие внутри звезды. Существует, впрочем, еще более мощный источник — это gravитационная энергия звезды. Однако освобождение эту энергию можно только с помощью ядерных превращений. Если в ходе ядерных реакций плотность центральной части звезды увеличится, то под действием сил тяготения вещество нарушных области начинает падать к центру, приобрета к интечесу энергию. Иными словами, потенциальная энергия тяготения превращается в интечесу энергию звездного вещества.
Плотность звезды определяется равновесием между силой тяжестии и силой давления вещества звезды. Для того чтобы звезда сжалась, давление должно уменьшаться. Очень сильное уменьшение давления могло бы произойти при образо-вании нейтронного вещества, когда протоны и электроны превращаются в нейтроны. Попробуем в этом разобраться.
Давление пропорционально кинетической энергии частиц, из которых состоит вещество. При понженении температуры падает кинетическая энергия частиц, и поэтому падает давление. Однако даже при абсолитном нуле температуры кинетическая энергия частиц не равна нулю. Дело в том, что нейтроны, протоны и электроны имеют замещательное свойство — две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии («запрет Паули»). По этой причине даже при абсолитном нуле температуры частицы не покояться и обладают различными скоростями — как говорят, разбросаны по скоростям. При этом наиболее кинетическая энергию имеет легкие частицы. Таким образом, главный вклад в давление в звезде носит электроны, масса которых приблизительно в две тысячи раз меньше массы протона или нейтрона. Не удивительно, что сила тяжестии скимает нейтронное вещество до городадо большей плотности, чем объечение вещество, состоящее из atomных ядер и электронов, — ведь при этом легкие частицы заменяются тяжелыми и давление резко падает.
Позмоту, если бы в результате ядерных превращений звезда могла превращаться в нейтронную, то это привело бы к резком сжатющему звезды, и за короткое время освобождалась бы громадная энергия, доставочная для объсянения сверхшкровой. При таком внешнем скатании звезды должны возникать мощные упругие волны, идущие от центра. Под их действием нарушная часть звезды срабатывает, превращается в горячий газ, который разлегается с громадной скоростью. Свечение этого газа и объясняло бы длительное вспышк сверхновых.
Итак, вспышки сверхновых перестали казаться загадочным явлением — появились надежды объязывать их как следствие скатания звезды в ходе ядерных превращений.
8
звезд. Оказалось, что в некоторых случаях перiod пульсара внесло уменьшения. Это явление было назван «сбоем». Уменьшение периода естественного объяснить звездотрясением. Если при звездотрясении звезда внесло сделается менее сплошной, то ее момент инерции уменьшится; тем самым уменьшится и период врашения.
Из определения момента инерции (мы приведели его на с. 6) следует, что если при звездотрясении звезда становится менее сплошной, момент инерции ее уменьшается. Поскольку величины остаются постоянной (ведь звездотрясение происходит в результате внутренних «потрясений», без участия внешних сил), уменьшение момента инерции приводит к увеличению угловой скорости врашения звезды. Значит, период врашения уменьшается.
Однако после начала сбоя, когда звездотрясение уже окончилось, период продолжает уменьшаться еще долго времени. В одном случае это время — несколько суток, в другом — несколько лет. Объяснить столдительное изменение периода можно, лишь предположив, что после того как нарушая часть звезды, состояние из обычного вещества, ускорила свое движение, нейтронная сердцевина продолжает врашаться с прежней скоростью, и лишь за дительное время скорости сравнивается. Но это означает, что нейтронная сердцевина находится в сверхтекучем состоянии! Ведь при обычном трении скорости выравнились бы за несколько секунд.
Связано ли образование нейтронных звезд со всышками сверхновых, как это предполагали Бааде и Цвики?
Некоторые пульсары расположены там, где вспыхивали сверхновые — например, пульсар в Крабовидной туманности. Но в большинсте случае такой связи нет.
Это означает, что иногда нейтронные звезды рождения без образования сверхновых; и наоборот, неktорные вспышки возникают в результате ядерных реакций, не приводящих к образованию нейтронной звезды с пульсирующим радионзеленем, или, быть может, появляются после взрыва нейтронной звезды. Но об этом печь поняет дальнейшее.
Теперь мы можем приступить к главной теме нашего рассказа — судьбе нейтронной звезды, масса которой растет. Масса звезды может увеличиваться от padения на нее небесных тел и за счет приока вещества от соседних звезд меншей массы. Рост массы приводит к увеличению плотности в центре звезды.
Как мы видим, при достаточно большой плотности нейтронная жидкость скачком переходит в новое сверхплотное состояние. При этом выделяется громадная энергия, и звезда взрывается. Причина этого перехода — неустойчивость вакуума в сильных полях. Эти непонятные пока слова имеют очень простой смысл.
Нустойчивость вакуума и пюнная конденсация
Что такое вакуум? Не есть ли это просто пустота — пространство, в котором движется нейтроны, протоны, электроны, кванты?
Оказалось, что это не так. Вакуум, то есть нашей физической пространство, — не просто геометрической объекта, а сложная физическая система, обладающая интереснейшим свойствами.
Прежде всего, частицы своим присутствием изменяют окружающее их пространство. Вокруг заряженной частицы появляется электрическое поле, которое нужно помнить как некое состояние вакуума. В таком измененном вакууме появляется сила, действующая на другие заряженные частицы.
Вокруг тяжелых тел изменяются даже геометрические свойства. Так, в близи Солнца геометрия вакуума хотя и мало, но отличается от ενклидовой. Отношение длинокружности к радиусу не равно 2π, как насчитывает школе.
Переменное электрическое поле, создаваемое в вакууме антиенной радиопередатчика, вызывает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, приводит к появлению переменного электрического поля уже в более широкой области пространства. Таков механизм распространения в вакууме электромагнитных
10
с работы автора этой статьи и продолжается до сих пор во многих научных центрах.
Как связана понная конденсация с интересующей нас судьбой нейтронных звезд?
Пионная конденсация в нейтронной жидкости
Когда плотность в центре нейтронной звезды достигает критического значения , соответствующего пионной конденсации, должен наступить dramатическая поворот в судьбе звезды. Сначала в центре звезды возникает зародыш нового сверхплотного состояния нейтронного вещества. Такое состояние оказывается неустойчивым — по мере увеличения радиуса зародыша освобождается энергия тяготения. В равновесном состоянии значительная часть звезды должна стать сверхплотной. Поэтому сверхплотный зародыш начинает расти — вещество нарушных частей звезды с большой скоростью устремляется к границе зародыша. К тому времени, когда радиус сверхплотной сердцевины достигает величины, соответствующий равновесному состоянию, вещество нарушных областей продолжает по инерции движется, и радиус сердцевины просакивает свое равновесное значение. Поскольку равновесие нарушено, начинается обратное движение. Таким образом, радиус сверхплотного зародыша сначала резко возрастает, а затем коллебляется около значения, сравнимого с радиусом нейтронной звезды. Процесс образования сверхплотной звезды занимает тысячи доли секунды. При этом переходы энергия, в несколько раз больше той, которая освобождается при обращении нейтронной звезды. Можно ожидать, что под действием упругих волн, возникших при коллебании радиуса сверхплотной сердцевины, нарушная часть звезды выбрасывается в сильно нагретом состоянии, и картина взрыва напоминает вспышку сверхновой.
Таким образом, помимо вспышек, вызванных ядерными реакциями и предшествующих образований нейтронной звезды, возникновы нечетронной звезды, возникновы вспышки другой природы, возниккающее в результате пионной конденсации и последующого взрыва нейтронной звезды.
К каким последствиям может привести взрыв нейтронной звезды?
Черные дыры
Если заключение о взрыве нейтронной звезды, вызванном пионной конденсацией, будет убедительно доказано теоретически или подтвердится наблюдениями, это будет означать, что нейтронные звезды не могут иметь плотность, превышающего критического значения (как показывает расчет, имеет тот же порядок, что и ядерная плотность). Между тем, прициппальная важность, существуют ли звезды с плотностью, значительной превышающего ядерную.
Согласно общей теории относительной при массе звезды, превышающего 2—3 массы Солнца, возникнет гранитционная неустойчивость — звезда начинает скимататься, и, после того как радиус сделается меньше некоторого критического значения (гранитционный радиус), никакие силы отталкивания не смогут удержать материал от падения к центру — скимающее давление силыжести превышает растяживающее давление частище вещества. Это явление называют коллапсом звезды. Оно заканчивается образованным нового объекта — черной дыры. Черная дыра проявляет себя практическим только как источник гранитционного поля. Тело, попадающее в поле черной дыры, падает к центру дыры и перестает быть видимым. Какую бы энергию ни имела частница, она не может вырвать из черной дыры — ведь с увеличением энергии частцы, согласно Эйнштейну, увеличивается ее масса, а следо-
11
вательно, и притяжение к черной дыре. Из черной дыры не только нельзя отправить космический корабль, но даже нельзя подать световой сигнал. В двойных звездах материя легкой звезды перетекает к более тяжелой. Анализ излучения перетекающего вещества позволяет в несколько случаях заполнить, что тяжелый партнер — черная дыра.
Но если бы оказалось, что нейтронные звезды в результате взрыва, вызванного пionной конденсцией, разбрасывают материю уже при ядерных плотностях, то черные дыры не могут быть образоваться.
Другое явление, вызывающее интерес к сверхплотной материи, состоит в том, что при достаточно большой плотности нейтронное вещество может перейти в новое состояние — кварковую материю.
Еще один переход
За последние годы физики пришли к заключению, что все сильно взаимодействующие элементы частицы — такие частицы называют ароднами — состоит из нескольких типов кварков — частиц с дробным электрическим зарядом, равным —1/3 или +2/3 от заряда электрона. Нейтрон и протон (а они — ародны) состоит из трех кварков, а пи-мезон — из кварка и антикварка. Кварки, по-видимому, не существует как свободные частицы. До сих пор все попытки обнаружить отдельный кварк давали отрицательный результат. Но заго на малых расстояниях между ними их свойства настолько хорошо изучены, что сейчас у большшинства физков нет сомнения в реализации этих частиц. Из анализа опытов по рассеянию ароднов друг на друге удалось установить, что при слияении кварков взаимодействие между ними уменьшается. Это явление было назван асимптотической свободной.
Известны частицы, которые существуют длительное время в связином состоянии, но на свободе живут недолго. Самый простой пример — это нейтрон, который в действие неограниченно должно, а в свободном состоянии распадается за десять минут. Причина «невылетания» кварков друга. Когда расстояние между кварками делается больше радиуса ародна, притяжение между ними резко возрастает, так что они не могут удалиться друг от друга на большое расстояние, какую они ни получили при столкновении.
Когда стalkиваются два энергичных ародна, содержащиеся в них кварки не вылетают, а превращаются в другие нуклоны или пи-мезоны.
Для наглядности можно себе представить, что ародон — это нечто вроде мешка, в котором кварки дивигают свободно, но за пределы которого они не могут удалиться. Если с близить два нуклона на расстояние, меньше размера мешка, то получится один общий мешка, в котором будет уже шесть кварков. При большей плотности нейтронного вещества, когда расстояния между нейтронами сравним с радиусом мешка, нейтроны распадаются на свои составные части — нейтронная материя превращается в кварковую. Как показывают расчеты, звезда делается кварковой, когда ее плотность в 10—20 раз превышает ядерную. При этом переходы энергия, и может произойти еще один взрыв звезды.
Осуществляется ли в природе кварковое состояние звезды? Или нейтронная материя уже при ядерной плотности взрывается и разбрасывается? Возможно ли, не смотря на это, образование черных дыр? Уже тот факт, что мы можем ставить такие вопросы, показывает, как далеко мы продвинуты в понимании структуры нейтронных звезд.
У каждой из нас есть свое общение красоты. Удалось ли мне добавить новые краски к вашей картине мира, читатель?