Помоги проекту - поделись книгой:
Поскольку отдельные нейтроны имеют значительно меньшие размеры, чем атомы, они в нейтронной звезде и легче прижимаются один к другому. Атомы же к такому уплотнению не способны.
Казалось бы, физический тупик, после которого никаких изменений в звезде не должно происходить. Однако теория говорит, что нейтроны при такой невероятной плотности не остаются целыми, а начинают распадаться на отдельные части, именуемые кварками. Их у нейтрона три – один верхний и два нижних. Так вот, кварки, не будучи стабильными частицами, могут в свою очередь превратиться в своих более тяжелых родственников – «странных кварков». Именно это «оливье» из разнообразных элементарных структур носит название «странной материи».
Так вот, если эта гипотетическая звезда имеет верхние и нижние кварки, она зовется кварковой, а если она содержит еще и большое количество
Таковы теоретические выводы ученых. Но существуют ли такие звезды в действительности? Сказать наверняка, опять же, никто не может.
И все же подвижки в этом направлении появились. Во-первых, теория позволяет нарисовать приблизительный «фоторобот» таких звезд. А это значит, что астрономы определенное представление об этих звездах все же имеют. И по «фотороботам» этих звезд могут искать их во Вселенной.
Эти поиски привели ученых к одной странной нейтронной звезде, которая находится на расстоянии в 150 световых лет от Земли. Странность ее в том, что она имеет всего 11 километров в поперечнике. Есть еще одна нейтронная звезда, которая демонстрирует другую необычность: она очень быстро охлаждается.
А поскольку диаметр первой и разница температур второй звезды не вкладываются в те параметры, которые характерны для нейтронных звезд, обе эти звезды и стали кандидатами в кварковые звезды. Впрочем, наделение этих звезд новым статусом носит пока теоретический характер, так как полных знаний о нейтронных звездах у астрофизиков пока нет. Поэтому и говорить о том, нейтронная это звезда или нет, довольно сложно.
И все же ученые уверены, что превращение нейтронной звезды в кварковую они смогут установить по той колоссальной энергии, которая выделится в ходе этого явления. Более того, существует гипотеза, что наиболее интенсивные гамма-всплески являются результатом появления кварковых звезд.
Человеческая мысль никогда не стоит на месте, а всегда стремится проникнуть в глубь процессов и явлений. Поэтому астрофизики попытались выяснить: а что же случится с кварковой материей, когда она настолько уплотнится, что отдельные частицы перестанут в ней существовать?
На этот счет существует две точки зрения. В соответствии с первой, кстати, наиболее популярной, гравитация приведет частицы в состояние бесконечной плотности, что послужит толчком к возникновению черной дыры.
А вот сторонники второй гипотезы считают, что кварки могут состоять из еще более простых частиц. В силу этого между кварковой звездой и черной дырой существует промежуточная структура, называемая «преонной звездой». Построена она из субатомных частиц – преонов, которые считаются самыми элементарными и практически неделимыми и в определенных комбинациях формирующими любой другой тип частиц.
Но существование преонных звезд противоречит Стандартной Модели Вселенной, которая пока достаточно полно объясняет, хотя и не без шероховатостей, ее природу. Поэтому преонная гипотеза особым успехом среди физиков не пользуется.
Все виды звездной материи, о которой до этого шел разговор, состоят из фермионов – семейства частиц, к которому принадлежат и электроны, и протоны, и нейтроны, и кварки. Но помимо этих элементарных кирпичиков материи, в природе, согласно теоретическим расчетам, существуют еще и бозоны – связующее звено, благодаря которому взаимодействуют элементарные фермионы.
Так вот, физики-теоретики предполагают, что бозоны вполне могут сформировать свой собственный тип материи. Поскольку такие частицы должны обладать малой массой и быть стабильными, они, объединившись, могут сформировать звезду.
И хотя это очень эфемерная гипотеза, тем не менее она тоже имеет своих приверженцев. Они предполагают, что такие звезды находятся в центре галактик. И действительно, астрофизикам известны несколько галактик с так называемыми активными галактическими ядрами, срединная область которых намного ярче теоретически рассчитанной. Именно там и могут скрываться бозонные звезды.
Предполагается, что появились они на ранних стадиях развития Вселенной. Это косвенно подтверждает тот факт, что большинство галактик с активными ядрами наблюдаются в отдаленных (следовательно, самых древних) частях космоса.
Таким образом, кроме нейтронных звезд и черных дыр, космос населяет еще много светящихся экзотических объектов, правда, большинство из которых существует только в теории. Вот астрофизикам и предстоит узнать: гипотетические или реальные такие звезды, как кварковые, преоновые или бозоновые.
В продолжение темы о невероятных звездах, наверное, не лишним будет сказать и о существовании во Вселенной… гигантского ускорителя частиц, своеобразного вселенского андронного коллайдера. Находится он на расстоянии приблизительно 7,5 тысячи световых лет от Земли. И образован он силами гравитации, которые возникают между двумя массивными звездами.
Одна из них – Эта Киля. Она считается крупнейшим из известных современной науке светил: ее масса более чем в 150 раз больше солнечной.
В этом «природном устройстве» находится своеобразная «ловушка для элементарных частиц», в которой гравитация разгоняет протоны до скоростей, при которых их энергия достигает показателя в 10 ТэВ, или 10 миллионов миллионов электронвольт. А это – почти в полтора раза больше, чем максимальный показатель, достигнутый на Большом андронном коллайдере, который, как известно, расположен недалеко от Женевы.
Помимо протонов, солнечные ветры звезды-гиганта несут также потоки ионов – электрически заряженных атомов. Когда разогнанные протоны сталкиваются друг с другом или с этими ионами, рождаются частицы, называемые пионами. Но они очень быстро разрушаются, выделяя при этом гамма-излучение. Открытие коллайдером звездной системы Эта Киля стало первым практическим подтверждением теории существования подобных гравитационных ловушек для протонов.
Парадокс: холодные звезды
Говоря о звездах, мы обычно подразумеваем под этим понятием раскаленные до невероятно высоких температур небесные тела. А температуры там и впрямь гигантские. Ведь даже поверхность ближайшей к нам звезды – Солнца с температурой, равной 6000 градусов, можно считать лишь слегка подогретой по сравнению с теми «факелами» Вселенной, температура которых достигает нескольких десятков и сотен тысяч градусов. К таким «разгоряченным» объектам относятся белые карлики с температурой 200 000 градусов.
В это трудно поверить, но, оказывается, есть звезды, которые во много раз холоднее Солнца. Это – так называемые коричневые карлики. К ним мы еще вернемся в 7 главе.
Одно время рекордсменом в этой температурной категории была звезда, которая в каталогах обозначена как CFBDS0059. Температура этой звезды по разным данным колеблется от 180 до 350 градусов Цельсия. А это для звезды почти то же самое, что для Земли Антарктида.
Звезды со столь низкими температурами у астрономов получили наименование коричневых карликов. По сути, это особый класс небесных тел, занимающий промежуточное положение между звездами и планетами. Причем на ранних этапах своей эволюции, то есть в молодости, коричневые карлики являются звездами. Когда же «постареют», то переходят в группу планет типа Юпитера, то есть планет-гигантов.
Нередко специалисты называют коричневых карликов еще и «не случившимися звездами». Связано это с тем, что хотя в них и проходят термоядерные реакции, но энергию, уходящую на излучение, они компенсировать не могут и поэтому со временем остывают. А планетами их назвать нельзя уже по той причине, что они не имеют четкой морфологической структуры: в них нет ни ядра, ни мантии и господствуют конвекционные потоки. А так как подобное строение характерно для звезд, коричневые карлики и оказались в этой категории небесных тел.
В соответствии с общепринятой теорией строения и эволюции звезд принято считать, что небесное тело становится солнцем, если его вес достигает 80 масс Юпитера. Связано это с тем, что при меньшей массе в звезде не смогут проходить термоядерные реакции, которые обеспечивают ее необходимой энергией.
Для появления же коричневого карлика небесному объекту достаточно иметь вес, равный 13 массам Юпитера. Это по космическим меркам – величина не очень и большая.
С 1995 года, когда существование этих космических тел было подтверждено реальными исследованиями, их уже открыто более сотни. Всех их ученые разделили на две группы: более горячие карлики относятся к L-классу, а более холодные – к T-классу.
А вот вновь открытой холодной звезде CFBDS0059 места в этой классификации не нашлось, и ей пришлось выделить отдельное «помещение» – Y-класс.
Масса этой звезды – от 15 до 30 масс Юпитера. Находится она от Земли на расстоянии в 40 световых лет. Особенностью этой звезды является то, что из-за своей низкой температуры она чрезвычайно тусклая, и ее излучение фиксируется в основном в инфракрасной области спектра.
Но прошло совсем немного времени, и в 2011 году астрономы обнаружили еще более холодного коричневого карлика. Они увидели его с помощью десятиметрового телескопа, расположенного на острове Мауна-Кеа. Причем сигнал от этого небесного объекта был настолько слабым, что его с большим трудом удалось выделить из общего космического шума.
Вновь открытый коричневый карлик получил классификационный номер CFBDSIR J1458+1013B. В отличие от ранее открытого своего «ледяного» собрата он находится в составе парной системы. Его партнер – тоже коричневый карлик, но уже вполне обычный. Находится эта структура на расстоянии 75 световых лет от Земли.
Температура нового рекордсмена колеблется где-то в районе 60—135 градусов Цельсия. Это значит, что на этом коричневом карлике может находиться вода, причем в жидком состоянии.
Правда, раньше в атмосфере коричневых карликов тоже фиксировались горячие пары воды. Но на этом невероятно холодном карлике, как предполагают ученые, она даже может находиться в виде облаков.
Глава 5. Далекие и непростые квазары
Таинственные квазары
Открытие квазаров в 1963 году американским астрономом М. Шмидтом является одним из величайших достижений астрономии двадцатого века. А произошло это следующим образом.
В начале 1960 года астрономы зафиксировали несколько довольно интенсивных радиосигналов, источником которых, как вскоре было установлено, являлись звезды. Прежде же радиоизлучение фиксировалось только у галактик и туманностей.
Безусловно, астрономы не могли не обратить внимания на это любопытное явление. И несколько ученых, среди которых был и М. Шмидт, стали активно изучать странные звезды. Американский астроном начал исследовать спектр довольно яркой звезды 13-й величины, которой соответствовал интенсивный радиоисточник 3С 273. В результате проведенных наблюдений Шмидт выяснил, что расстояние до источника примерно два миллиарда световых лет, и удаляется он от Земли со скоростью 42000 километров в секунду.
В те годы с такими огромными расстояниями астрономам встречаться еще не приходилось. Но удивительным было даже не это, а то, что, несмотря на невероятно большое расстояние, странный объект обладал исключительно высокой яркостью. Связав посредством сложных математических расчетов расстояние с яркостью, ученые пришли к выводу, что светимость 3С 273 почти в сто раз превышает светимость нашей Галактики, которая, между прочим, относится к числу гигантских звездных систем. Впрочем, если бы 3С 273 не был радиоисточником, его вряд ли зафиксировали бы.
Открытие у 3С 273 переменности и впрямь стало для астрономов сюрпризом, хотя до этого они наблюдали переменность у разных типов звезд. Но поскольку 3С 373 имел колоссальную яркость, ученые сначала пришли к выводу, что это – галактика, состоящая из триллионов звезд. Но так как каждая звезда светится независимо от своих соседок, то о переменности «сглаженного» и усредненного по времени излучения такого гигантского по численности сообщества звезд не могло быть и речи! И тем не менее переменность, причем довольно значительная, была очевидной.
Из того факта, что светимость изменялась в течение одного года, астрономы сделали вывод, что и линейные размеры излучающей области тоже равняются приблизительно одному световому году. Но такая величина для любой галактики слишком ничтожная. Из этого заключения следовало вполне резонное предположение, что излучают не звезды, а нечто иное.
Но что представляет собой это «нечто иное», точно сказать никто не мог. Можно было лишь с большой долей уверенности предположить, что этот объект по своей природе похож на ядра сейфертовских галактик, правда, в несколько тысяч раз мощнее и активнее их.
Придерживаясь исторической справедливости, следует сказать, что переменность светимости ядер сейфертовских галактик была открыта чуть позже, в 1965 году. А активное исследование этих галактик началось после открытия и изучения объектов, родственных по своей природе 3С 273. Именно их и стали называть квазарами…
Однако как было показано в ходе дальнейших наблюдений за квазарами, 3С 273 по сравнению с другими своими собратьями по Вселенной по скорости перемещения оказался настоящим тихоходом.
Так, открытый позже объект 3С48 уносится от Земли со скоростью лишь вдвое меньше скорости света! И если считать, что этот объект подчиняется общему закону красного смещения, легко вычислить, что расстояние от Земли до объекта 3С48 равно 3,78 миллиарда световых лет! А ведь луч света путь от Солнца до Земли преодолевает приблизительно за 8,33 минуты. А здесь почти 4 миллиарда лет непрерывного стремительного движения – время, сравнимое с продолжительностью жизни нашей планеты.
Еще быстрее перемещается в пространстве объект 3С196: скорость его удаления от нашей планеты достигает 200 тысяч километров в секунду.
А расстояние до него, найденное по красному смещению, около 12 миллиардов световых лет. Это значит, что астрономы уловили луч света, который был послан к нам тогда, когда еще не существовало нашей Солнечной системы.
Неизвестный источник энергии
Квазары таят в себе немало загадок. Однако самая трудная из них – это механизм, который позволяет этим объектам выделять столь гигантские количества энергии. Действительно, если квазары и впрямь находятся от Земли на столь громадных расстояниях, то какой же источник энергии поддерживает свечение квазара? И как эта невероятная светимость возникает?
Известно, что квазар занимает относительно небольшую часть пространства, что говорит о том, что он довольно компактен. Отсюда можно сделать вывод, что и механизм выделения энергии в квазаре тоже должен быть особенным.
Пытаясь объяснить этот световой феномен квазаров, ряд астрофизиков предполагает, что выделение энергии в квазарах, возможно, связано с наличием сверхмассивных черных дыр, которые и обеспечивают невероятную яркость этих экзотических объектов. Начиная с середины 70-х годов прошлого века эта идея приобретает все большую популярность.
Невероятную яркость, а значит, выделения огромного количества энергии связывают также с работой сил тяготения, а радиоизлучение квазара – с синхротронным излучением заряженных частиц в магнитном поле.
Впрочем, существуют гипотезы, согласно которым мощность потоков энергии от квазаров значительно ниже, так как расстояния до них сильно преувеличены. Так, если квазары в 100 раз ближе к Земле, чем принято считать, то, согласно расчетам, их светимость завышена в 10 000 раз.
В пользу этой гипотезы астрономы приводят тот аргумент, что квазары нередко видны вблизи пекулярных (необычных) галактик. Эти галактики имеют обычные красные смещения, которым соответствуют скорости удаления, равные нескольким процентам от скорости света. А квазары, расположенные на небе поблизости от них, имеют красные смещения в 10—20 раз больше!
Но если квазары находятся по соседству с относительно близкими галактиками, чем тогда объяснить их огромные красные смещения? И как вещество могло быть выброшено, причем всегда в противоположную от Земли сторону, с такими огромными скоростями, сохранив при этом форму объекта? Ответов на эти вопросы у астрофизиков пока нет…
Не могут пока астрономы объяснить, почему некоторые из квазаров меняют свою яркость с периодом в несколько суток, недель или лет. В то же время обычные галактики такой особенности не обнаруживают.
Любопытное исследование провели советские астрономы А.С. Шаров и Ю.Н. Ефремов. Они попытались выяснить, как вели себя квазары раньше. Для этого исследователи внимательно изучили 73 негатива, на которых с 1896 по 1963 год был зафиксирован объект 3С273. И, к немалому удивлению, установили, что 3С273 менял свою яркость! Причем очень заметно: от 12,0 до 12,7 звездной величины, то есть почти в два раза. А в некоторые периоды, например с 1927 по 1929 год, поток излучения от 3С273 возрастал в 3—4 раза!
Бывало и такое, что в течение всего нескольких суток объект менял яркость на 0,2—0,3 звездной величины. При этом внешне никаких других существенных изменений не происходило: объект неизменно казался звездой, хотя и переменной. Подобное явление позже было обнаружено и у объекта 3С48.
Чем же объяснить такое странное поведение объектов 3С48 и 3С273? Астрономами на этот счет были выдвинуты три гипотезы.
Согласно первой из них, звезды в галактике изменяют свою яркость сразу и одинаково, словно получив для этого некую команду. Безусловно, такое объяснение слишком абсурдно, чтобы его серьезно рассматривать.
Вторая гипотеза предполагает, что странные объекты, сходные с галактиками по характеру красного смещения, имеют совсем другую физическую природу. И скорее всего квазары представляют собой активные ядра очень и очень далеких галактик.
Считается, что квазары – это компактные объекты сравнительно небольших размеров, но при этом имеющие колоссальную массу, достигающую миллиардов Солнц. Именно сравнительно малыми размерами и можно объяснить колебания светимости квазара. А огромная масса позволяет ему иметь невероятную яркость или, точнее, светимость, поскольку известно, что чем массивнее звезда, тем ярче она светит. Эта закономерность давно установлена из наблюдений, а также из теоретических соображений.
В последние годы астрономы установили, что квазарам свойственно также инфракрасное и рентгеновское излучения. Причем мощность этих типов излучения у некоторых из этих объектов даже больше, чем в видимой области и в радиодиапазоне.
Если просуммировать энергии излучения во всех областях спектра, то окажется, что некоторые квазары выделяют в 100 000 раз больше энергии в секунду, чем гигантские галактики. Но опять же, это в том случае, если принятые сегодня оценки расстояний до квазаров верны.
И еще: оказалось, что большинство квазаров являются мощными рентгеновскими источниками. Более того, появилось предположение, что, в отличие от радиоизлучения, рентгеновское излучение – характерное свойство квазаров.
Глава 6. Загадки пульсаров
Пульсирующие и загадочные
В феврале 1968 года в английском журнале «Nature» был опубликован материал, в котором сообщалось о принятом из uлубин Вселенной радиосигнале. Зафиксировали его ученые из Кембриджа. А вообще этот сигнал приняла аспирантка Джоселин Белл. В то время она занималась случайными отклонениями радиоизлучений от космических источников, которые может уловить телескоп при суточном вращении Земли.
Девять лет спустя о своем открытии Дж. Белл говорила следующее: «Через шесть или восемь недель после начала исследований я обратила внимание на какие-то отклонения сигнала, зарегистрированного самописцем. Эти отклонения не очень походили на мерцания радиоисточника. Не были они похожи и на земные радиопомехи. Кроме того, мне вспомнилось, что подобные отклонения мне однажды встречались и раньше, когда регистрировалось излучение от этого же участка неба».
К изучению странного явления Белл обратилась снова только в конце октября 1967 года. Теперь она попыталась записать сигнал с более высоким временным разрешением. Но на этот раз обнаружить источник не удалось. И только к концу ноября он заявил о себе снова.
«На ленте, выходящей из-под пера самописца, я видела, что сигнал состоит из ряда импульсов. Мое предположение о том, что импульсы следуют один за другим через одинаковые промежутки времени, подтвердилось сразу же, как только лента была вынута из прибора, – вспоминала впоследствии Белл. – Импульсы были разделены интервалом в одну и одну треть секунды… Источник со всей очевидностью имел неземное происхождение, поскольку сигнал появлялся каждый раз, когда телескоп зондировал этот участок неба. С другой стороны, импульсы выглядели так, как будто их посылают люди…»
А вскоре Джоселин Белл обнаружила еще два пульсара. В конце же января 1968 года было отправлено сообщение об этом событии в журнал «Nature». Именно в нем и говорилось об открытии первого пульсара…
Самым удивительным для астрономов в поведении пульсаров был тот факт, что у них очень быстро менялась интенсивность излучения.
Если, например, у наиболее быстрых переменных звезд блеск может меняться в течение одного часа, а порой и еще быстрее, а блеск белого карлика в одной из двойных звездных систем в созвездии Геркулеса изменяется с периодом 70 секунд, то пульсары намного превзошли эти результаты. Оказалось, что интенсивность радиоизлучений изменяется за десятитысячные доли секунды.
Более того, дальнейшие исследования показали, что объект, от которого исходит импульс, имеет в поперечнике не больше нескольких сотен километров. А ведь это для космических масштабов мизерные размеры. Например, диаметр Земли равен примерно 13 тысячам километров.
А вскоре сообщения о вновь обнаруженных пульсарах стали поступать из многих обсерваторий мира. Сегодня астрономами зафиксировано более трехсот этих небесных тел. Периоды их лежат в пределах от 0,0016 секунд до 4,3 секунды. Кроме того, известно шестнадцать пульсаров, периоды которых менее 12 миллисекунд.
Самый близкий пульсар расположен от Земли на расстоянии около 60 парсеков, то есть в десятки раз дальше, чем ближайшие звезды. Самый же далекий пульсар находится в 25 килопарсеках от нашей планеты, т.е. далеко за центром Галактики.
Кроме Млечного Пути, пульсары отмечены и в других галактиках. Например, их обнаружили в Большом и Малом Магеллановых Облаках, а также в шаровых скоплениях.
Хотя по форме отдельные импульсы все же незначительно отличаются один от другого, тем не менее период пульсара является практически неизменным. Случается, что импульсы от пульсара внезапно пропадают, но после возобновления приема в точности повторяют прежний ритм.
Правда, еще в самом начале их изучения астрономы обнаружили, что период многих пульсаров постепенно увеличивается, то есть со временем они становятся «медленнее». В то же время частота следования импульсов меняется очень незначительно: чтобы период пульсара удвоился, должно пройти примерно 10 миллионов лет.
Невероятная анатомия пульсара
Конечно, ученых интересуют не только физические характеристики пульсаров. Им важно также знать: что же представляют сами по себе эти космические объекты?
Поделиться книгой: