Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры
Колгейт говорил, что сначала «он не думал, что делает что-то особенно оригинальное». Считалось, что вместе с Уайтом они разрабатывали модели чужих сценариев, например из статьи B2FH. Однако все было несколько иначе. После того как Колгейт и Джонсон выдвинули гипотезу, что взрыв сверхновой вызван ударной волной, которая отражается от ядра, врезается в падающую ядерную «золу» и воспламеняет ее, Фаулер и Хойл проделали детальный расчет. Но Колгейт и Уайт показали, что Фаулер и Хойл сделали ряд ошибок[72].
Важно было понять, как отражение ударной волны от ядра приводит к взрыву. И тогда у Колгейта возникла отличная идея: «Почему бы не рассмотреть то, чем все остальные пренебрегли?» Итак, ядро звезды сжимается от размеров Земли до диаметра меньше 20 километров, и электроны сталкиваются с протонами водорода и более тяжелых ядер, например железа, образуя не только нейтроны, но и триллионы и триллионы триллионов нейтрино. После отражения все это множество частиц устремляется наружу со скоростью более чем 10 тысяч километров в секунду. Возможно, что ключом к решению проблемы энергии взрыва является нейтрино!
Теперь Колгейту нужно было узнать о свойствах нейтрино и ввести их в компьютерные модели, чтобы понять, могут ли нейтрино способствовать взрыву. Он отправился в Калифорнийский технологический институт, чтобы встретиться с Кристи. (Колгейт хорошо знал и ценил работу Кристи по переменным цефеидам, за которую тот был награжден медалью Эддингтона.)
Кристи идеи Колгейта показались интересными. И когда Колгейт смело спросил Кристи: «Могут ли нейтрино рассматриваться как газ?» — Кристи ответил: «Конечно, достаточно взглянуть на результаты Чандры, полученные для электронного газа». Кристи имел в виду открытое Чандрой давление вырождения электронов, которое возникает при высокой плотности электронов в белых карликах и предотвращает коллапс, если масса карлика меньше 1,4 массы Солнца. Нейтрино, как и электроны, протоны и нейтроны, могут создавать давление вырождения. «Ага, — подумал Колгейт, — да ведь никто не обращал внимания на важную часть этой головоломки! Поток нейтрино создаст огромное давление вырождения». Астрофизики заволновались. Коллеги великодушно предлагали свои варианты решения проблемы. Атмосфера в науке была исключительно творческой, без признаков зависти, и неудивительно, что тогда делались потрясающие открытия. «Вы говорите о сертификации ядерного оружия, а я говорю о том, можно ли сертифицировать сверхновую?» — вопрошал Колгейт с блеском в глазах. Под «сертификацией» водородной бомбы Колгейт имел в виду разработанную им теорию бомбы и понимание специфики термоядерного взрыва. Но в случае сверхновых до сертификации было еще далеко.
Введя параметры модели звезд в компьютер и запустив рабочую программу, Колгейт и Уайт обнаружили гораздо больше, чем ожидали. Оказалось, что они совершенно убедительно доказали — во что большинство астрофизиков, и даже сам Уилер, отказывались верить, — что звезды действительно могут бесконечно коллапсировать.
До того как Колгейт и Уайт приступили к компьютерному моделированию, даже самые продвинутые астрофизические исследования были основаны лишь на упрощенных звездных моделях. Эти работы обладали определенной ценностью, но все понимали — построенные модели далеки от реального поведения звезд, а потому считалось, что существует множество факторов, препятствующих коллапсу или взрыву звезды. Общепринятая точка зрения была такова: сингулярности невозможны. Уайт вспоминал, что астрофизики отказывались даже рассматривать бесконечный коллапс реальной звезды. Они считали само собой разумеющимся, что при сгорании звезды всегда теряют столько массы, чтобы оказаться ниже предела Чандрасекара, и спокойно умирают как белые карлики. Вопрос о полном коллапсе ученые отметали, утверждая, что это просто математическая абстракция.
Уилер часто ездил в Ливерморскую национальную лабораторию и постоянно общался с Колгейтом, Уайтом и с Чандрой, а их компьютеры выдавали все новые результаты, показывающие с неопровержимой силой, что ядро действительно коллапсирует. Чандра был счастлив.
Как вспоминал Кип Торн, выдающийся теоретик из Калифорнийского технологического института, Уилер был настолько поражен работой Колгейта и Уайта, что после встречи с ними вместо своей запланированной лекции в Принстоне рассказал студентам об их невероятных результатах. Наконец-то было окончательно доказано: если нейтронное ядро не потеряет столько массы, что станет легче некой предельной величины, оно будет непрерывно коллапсировать, превращаясь в бесконечно плотное образование.
А Колгейт и Уайт написали статью и в 1962 году представили ее в «Reviews of Modern Physics». Редакторы не могли понять, как поступить с этой в сущности не физической, а астрофизической статьей. Она пролежала в редакции два года, а потом ее отправили Чандре, тогдашнему редактору «Астрофизического журнала». Статья была написана не по канонам астрофизики, но Чандра высоко оценил ее и сказал Стирлингу: «Это должно быть опубликовано. Однако существуют некоторые астрофизические понятия, которые вы должны усвоить». Чандра сразу понял, что это исследование подтверждает главное открытие его жизни. В 1966 году статья наконец-то появилась. Для публикации одной из самых важных работ по астрофизике потребовалось четыре года! Колгейт отметил, что «Чандра тщательно отредактировал статью и некоторые места даже переписал».
Суть открытия Колгейта состояла в следующем: нейтрино могли катализировать прохождение ударной волны от ядра через верхние звездные слои без потери скорости. Ядро производит огромное количество нейтрино, увлекаемых ударной волной. Они нагревают наружные слои вещества, падающие внутрь, которые затем разворачиваются и несутся сквозь звезду, сдувая внешнюю мантию и оставляя в центре нейтронную звезду. Все выглядело очень впечатляюще, но нейтронные звезды оставались лишь гипотезой. Астрофизики сомневались в их существовании.
В 1967 году два кембриджских астронома Джоселин Белл и Энтони Хьюиш изучали радиосигналы, идущие от звезд. Они заметили, что некоторые звезды излучали с потрясающей регулярностью и с периодами от 0,25 до 2,0 секунд. Примерно так же наблюдатель периодически видит луч маяка с вращающимся прожектором. Что бы это значило? Неужели это сигналы внеземной цивилизации? Импульсы излучения появлялись слишком часто, чтобы прийти от звезд типа цефеид, с периодом пульсации порядка недель. Это также не могло быть сигналом от горячего пятна на вращающемся белом карлике, так как при такой скорости вращения он разлетелся бы на куски[73]. На следующий год были зафиксированы пульсирующие радиоволны, исходящие из Крабовидной туманности, которая возникла после взрыва сверхновой.
Это было потрясающее астрономическое открытие. Радиоимпульсы никак не могли быть излучением белого карлика. Астрофизики предполагали, что белые карлики — конечная стадия звездной эволюции. Существование нейтронных звезд было лишь гипотезой, а идея о коллапсе хоть и подтверждалась строгим математическим расчетом, казалась полным абсурдом. Итак, мало кто верил в реальность нейтронных звезд, но только они могли испускать пульсирующие радиоволны. Появились первые экспериментальные доказательства, что звезды в конце эволюции могут превращаться не только в белых карликов. Все встало на свои места. Будучи ядром огромной сколлапсировавшей звезды, нейтронная звезда должна вращаться намного быстрее гиганта, из которого она образовалась, — как фигуристка на льду, которая вращается все быстрее и быстрее, прижимая руки к телу. Кроме того, магнитное поле нейтронной звезды почти в 10 миллиардов раз больше, чем у ее предшественника до коллапса. Эти вращающиеся нейтронные звезды назвали «пульсарами»[74].
С тех пор астрономы нашли более тысячи пульсаров, только в нашей Галактике их около миллиона[75]. Белл и Хьюиш обнаружили то, что еще в 1933 году предсказали Цвикки и Бааде и то, что Оппенгеймер и Волков положили в основу своей теории в 1938 году. Они доказали, что нейтронные звезды существуют. Хотя модель Колгейта пересматривалась и уточнялась в последующие десятилетия по мере увеличения мощности компьютеров, основную их идею никто не опроверг. Однако существовал еще один возможный и самый драматичный вариант завершения жизни звезды. После того как Чандра открыл максимально возможную массу белого карлика, астрофизики не переставали интересоваться этим вопросом. Расчеты Колгейта и Уайта, которые так взволновали Уилера, подтвердили результаты Чандры, но астрофизики по-прежнему отказывались верить, что коллапсирующая звезда может стать не только белым карликом или нейтронной звездой, но и практически полностью исчезнуть, превратиться в ничто. Бесконечный коллапс приводит к такой колоссальной плотности и такой сильной гравитации, что нарушаются все законы пространства и времени. Да это просто немыслимо! И только после 1970-х годов немыслимое стало казаться мыслимым…
