Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
Но тут происходит заминка. Когда в сердцевине звезды образуется железное ядро, процесс горения прекращается, так как железо не горит. Однако к тому времени, когда образуется железное ядро, давление и температура достигают таких значений, что электроны и протоны «вдавлены» друг в друга, в результате чего остаются лишь не имеющие заряда частицы, называемые нейтронами. Нейтроны занимают гораздо меньше места, чем электроны, и поэтому сердцевина начинает ещё больше сжиматься, генерируя дополнительную тепловую энергию, что ускоряет процесс сжатия. При этом образуется большое число нейтрино, которые в отличие от протонов легко проходят сквозь внешние слои звезды и почти мгновенно уносятся от неё. В центре звезды создаётся недостаток энергии, а это ещё больше ускоряет сжатие. За считанные секунды поток нейтрино возрастает в миллионы раз, но из-за увеличения плотности внешних слоев звезды при сжатии нейтрино не в состоянии проникнуть сквозь них. Логично ожидать, что оказавшиеся в ловушке нейтрино отбрасывают внешние слои наружу, но последние данные показывают, что внешние слои «отскакивают», оттолкнувшись от сердцевины звезды. Как бы то ни было, за какие-то секунды развивается колоссальный взрыв – рождается сверхновая.
Помимо выброса в пространство уже накопленных тяжёлых элементов сверхновая выполняет и другую важную функцию. Мы уже видели, что в процессе горения звезды образуются элементы вплоть до железа. А откуда берутся более тяжёлые элементы, такие как серебро, золото и уран? По современным теориям они образуются непосредственно в процессе взрыва сверхновой.
Но мы не дали ответа на ещё один важный вопрос: а что остаётся после разлёта внешних слоев? В 1933 году сотрудник обсерватории Маунт-Вилсон Фриц Цвики предположил, что в результате взрыва образуется маленькая состоящая из нейтронов звёздочка, называемая нейтронной звездой. Через несколько лет вместе с другим сотрудником той же обсерватории Вальтером Баале Цвики приступил к детальному изучению сверхновых. Поскольку в нашей Галактике их очень мало (один взрыв происходит в среднем раз в 50 лет), учёные решили поискать их в других галактиках. В результате трёхлетних наблюдений над примерно 3000 галактик им удалось обнаружить 12 сверхновых.
Предположение Цвики о существовании нейтронных звёзд было, конечно, очень смелым, и, к сожалению, мало кто обратил на него внимание. Некоторые вопросы, связанные с поведением таких звёзд, рассмотрел советский физик Лев Ландау. В 1939 году этой проблемой заинтересовался сотрудник Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. Он решил с помощью общей теории относительности проверить, могут ли существовать такие объекты, и поручил заняться этой проблемой своему студенту Джорджу Волкову. Вскоре Волков обнаружил, что если масса звезды достаточно велика, то в результате коллапса возникнет нейтронная звезда. Но самым странным было то, что, подобно обнаруженному Чандрасекаром пределу массы для белых карликов, аналогичный предел должен существовать и для нейтронной звезды.
В результате образования нейтронов из электронов и протонов рождается объект с гораздо большей плотностью, поскольку нейтроны занимают меньше места, чем электроны. Кроме того, Оппенгеймер и Волков показали, что, как и в случае белого карлика, тут наблюдается давление вырождения, только это нейтронное давление вырождения, и потому оно может удерживать бо?льшие массы, примерно до 3,2 массы Солнца. Но тогда возникает ещё один вопрос – что же происходит со звёздами, у которых масса больше 3,2 солнечной?
Нельзя сказать, чтобы новые результаты произвели на астрономов большое впечатление, ведь тогда ещё не было зарегистрировано ни одной нейтронной звезды, и само их существование было сомнительно. Прошло много лет, прежде чем их обнаружили.
В начале 60-х годов Энтони Хьюиш из Кембриджа разработал методику выделения узких участков спектра излучения удалённых источников, таких как галактики. За несколько лет до этого были обнаружены объекты, похожие на звёзды, которые назвали квазарами, – они-то и были источниками такого излучения, и Хьюиш считал, что его метод можно будет применить для определения их местоположения. Для этой цели требовался особый вид радиотелескопа, чувствительный к резким изменениям частоты (в те времена большинство телескопов было другого типа). Он решил построить такой телескоп и с помощью нескольких студентов соорудил его на площади два гектара из мачт и проводов.
Вместе со студентами работала аспирантка Джослин Белл. В июле 1967 года сооружение телескопа было закончено, и ей поручили расшифровывать те километры записей, которые он выдавал. Одной из её обязанностей было выделение всех помех искусственного происхождения. Через несколько недель она заметила нечто, весьма напоминающее промышленные помехи, хотя и не совсем обычные. Сигнал повторялся каждую ночь примерно в одно и то же время. Белл это заинтересовало, и она поделилась своими наблюдениями с Хьюишем. Тот посоветовал сделать скоростную запись, чтобы подробно рассмотреть структуру сигнала, но когда Белл подготовила аппаратуру, сигнал исчез. Она неделями ждала его возобновления, но потом махнула рукой. Однако стоило ей отправиться на лекцию в Кембридж, как сигнал появился снова. На следующий день ей удалось сделать скоростную запись, которая, к её удивлению, показала, что сигнал состоит из ряда равномерно распределённых пиков с интервалом в 1,3 с. Она сообщила об этом Хьюишу, и он ответил: «Ну что ж, всё ясно, это помехи искусственного происхождения». В отличие от Белл, Хьюиш понимал, что астрономический объект – за исключением, разве что белого карлика или нейтронной звезды, чьё существование ещё не было установлено, – испускать сигнал такой частоты не может.
Официально об открытии Белл было объявлено в январе 1968 года, и эта новость произвела в астрономическом мире сенсацию. Кое-кто из астрономов высказал даже предположение о том, что наблюдались сигналы внеземных цивилизаций. Это явление привлекло внимание теоретиков, которых интересовало, не может ли источником сигнала быть белый карлик. Однако расчёты показали, что белые карлики (даже если допустить, что они пульсируют) не могут быть источником излучения, так как диапазон возможных периодов слишком велик. Нейтронные же звёзды дают излучение слишком высокой частоты. Название «пульсар» им явно не подходит.
Другое объяснение – «маяк», испускающий один или два пучка импульсов. При вращении маяка лучи скользят по Земле, подобно тому как луч маяка скользит по кораблю в море. Всякий раз, когда луч попадает на Землю, регистрируется импульс. Такая модель кажется вполне разумной, и самым подходящим кандидатом (если только импульсы не слишком частые) можно считать вращающийся белый карлик.
Крабовидная туманность
Но тут в Крабовидной туманности был открыт пульсар, имевший частоту 30 импульсов в секунду. Белые карлики не могут вращаться так быстро – они просто разлетятся. Следовательно, этот пульсар мог быть только вращающейся нейтронной звездой. Томми Голд из Корнеллского университета давно утверждал, что она гораздо больше подходит на эту роль. Он проделал соответствующие вычисления для энергии излучения нейтронной звезды, вращающейся со скоростью 30 оборотов в секунду, и сравнил её с уже известной энергией излучения Крабовидной туманности. Результаты были так близки, что сомнения отпали – пульсар в Крабовидной туманности должен быть нейтронной звездой, а это означало, что все пульсары, по-видимому, одинаковы.
Пульсар в Крабовидной туманности. На верхней фотографии показано изменение яркости. Внизу – диаграмма зависимости яркости от времени
Очень скоро в мельчайших подробностях была разработана возможная модель. Вращающаяся нейтронная звезда обладает очень сильным магнитным полем, которое вращается вместе с ней. Такая интенсивность поля объясняется коллапсом: даже если первоначально поле было слабым, при коллапсе оно «концентрируется» и становится чрезвычайно сильным. Заряженные частицы с поверхности нейтронной звезды будут двигаться вовне по силовым линиям, испуская при этом электромагнитные волны (радиоволны и видимое излучение). Особенно важным в этой модели было то, что ось магнитного поля не обязательно должна совпадать с осью вращения. Излучение исходит от южного и северного магнитных полюсов звезды, и если его направление было, положим, перпендикулярно оси вращения, луч будет перемещаться по окружности так же, как луч маяка. Если мы окажемся на его пути, то заметим вспышку электромагнитного излучения.
Размер нейтронной звезды в поперечнике – от 15 до 30 км. Её поверхность отличается исключительной прочностью (в миллионы раз прочнее стали), а под ней располагается то, что называется сверхтекучей жидкостью: смесь нейтронов и других частиц. Возможно, в центре находится небольшое ядро.
