Помоги проекту - поделись книгой:
Коллапс связан с невозможностью поддерживать гидростатическое равновесие в ядре.
Иногда коллапс не останавливается – тогда рождается черная дыра. Этот процесс не сопровождается взрывом. Недавно появились первые непосредственные наблюдательные свидетельства в пользу этого: обнаружено исчезновение массивных звезд, не сопровождаемое вспышкой. Возможен и промежуточный случай. Коллапс останавливается – появляется протонейтронная звезда, происходит взрыв, но на компактный объект продолжает выпадать вещество. Если масса его дорастет до критической, то произойдет коллапс в черную дыру. Если же выделение энергии при отскоке окажется слишком незначительным, тогда взрыв не произойдет, а выпадение большой массы на появившийся компактный объект приведет к формированию черной дыры.
Энергия сверхновой с коллапсом ядра связана с выделением гравитационной потенциальной энергии.
Наконец, очень массивные звезды (примерно 150–260 масс Солнца) дают особый вид сверхновых без остатка. Это сверхновые с рождением пар. В кислородных ядрах таких звезд температура вырастает настолько, что энергии фотонов оказывается достаточно для рождения электрон-позитронных пар. Энергия идет не на поддержание давления, а на рождение новых частиц, и в результате начинается коллапс, поскольку нарушается гидростатическое равновесие. Если масса звезды не слишком велика, то термоядерное горение кислорода может остановить коллапс, и тогда очень мощный взрыв разносит всю звезду без остатка. Если же звезда очень массивна, то образуется черная дыра.
Звезды с массами от 30 до 150 масс Солнца в основном порождают черные дыры.
Последние стадии жизни очень массивных звезд, предшествующие окончательному взрыву из-за рождения пар, могут сопровождаться пульсациями с очень большим выделением энергии. По светимости они соответствуют сверхновым, но полное энерговыделение при таких пульсациях, конечно, меньше, поскольку не происходит сильного сжатия (т.e. нет выделения большой гравитационной потенциальной энергии) и рождения нейтрино.
Звезды от 150 до 260 масс Солнца могут взрываться без остатка.
В последние годы обнаружено много необычных сверхновых с очень высокой светимостью или нестандартной кривой блеска. Для их объяснения привлекаются различные механизмы. Отметим среди них дополнительное выделение энергии в результате образования быстро вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем. Замедляя свое вращение (как экстремальный радиопульсар), такой объект может поставлять дополнительную энергию, сравнимую с полной кинетической энергией взрыва.
Сверхновые типа Ia – это термоядерный взрыв массивного белого карлика.
Если сверхновые, связанные с массивными звездами, могут быть очень разными, то сверхновые типа Ia, наоборот, очень похожи друг на друга. Это связано с тем, что взрываются очень похожие объекты – сверхкритические белые карлики.
Известно, что для белых карликов существует верхний предел массы, называемый чандрасекаровским. Однако по мере роста массы еще до достижения этого предела в недрах компактного объекта могут сложиться условия для термоядерного горения углерода. Поскольку белый карлик состоит из вырожденного вещества, то он не может быстро отреагировать на выделение энергии и восстановить равновесие. Поэтому происходит термоядерный взрыв, полностью разрушающий звезду.
Массивные звезды взрываются в нашей Галактике раз в 30–50 лет. Белые карлики – в несколько раз реже.
Есть две основные возможности увеличения массы белого карлика, обе реализуются в тесных двойных системах. Это или постепенная аккреция вещества звезды-соседки через внутреннюю точку Лагранжа, или слияние двух белых карликов с суммарной массой, превосходящей критическую. По всей видимости, оба канала могут быть реализованы в природе. Однако данные наблюдений свидетельствуют в пользу того, что основная доля сверхновых типа Ia связана со слияниями белых карликов.
В нашей Галактике сверхновые с коллапсом ядра в среднем происходят раз в 30–50 лет, а сверхновые типа Ia – в 5–10 раз реже. К сожалению, за все время телескопических наблюдений не удалось увидеть ни одной вспышки в нашей Галактике. Самой близкой сверхновой за последние годы была SN1987A, вспыхнувшая в 1987 г. в Большом Магеллановом Облаке. От нее даже удалось зафиксировать нейтринный сигнал, подтвердивший правильность наших базовых представлений о физике этого процесса.
При вспышке сверхновой блеск в максимуме может в миллиарды раз превосходить светимость Солнца, а сама длительность вспышки исчисляется месяцами. Поэтому сверхновые хорошо видны на больших расстояниях, и их можно обнаружить даже спустя значительное время после максимума блеска. Благодаря современным обзорам неба удается открывать сотни сверхновых в год в далеких галактиках. Особое значение придается изучению сверхновых типа Ia, поскольку они важны для космологических приложений (именно с их помощью впервые было обнаружено ускоренное расширение Вселенной).
В максимуме блеска светимость сверхновой может превосходить несколько миллиардов солнечных.
Взрывы сверхновых всех типов играют большую роль в эволюции Вселенной, поскольку в результате этих событий синтезируется большое количество тяжелых элементов, которые выбрасываются в межзвездную среду. Взрывы звезд первого поколения – так называемого населения III – смогли уже на ранних этапах жизни Вселенной обогатить газ элементами тяжелее гелия, что было важно для космической эволюции.
Глава 5
Синтез элементов и термоядерные реакции
В ранней Вселенной плотность и температура были слишком высоки для появления составных структур. В первые мгновения после рождения во Вселенной не могли существовать даже ядра элементов периодической системы. Однако спустя несколько микросекунд после начала расширения стало возможно возникновение протонов – ядер водорода. В интервале от нескольких секунд до нескольких минут шел процесс первичного нуклеосинтеза: протоны и нейтроны объединялись в более сложные ядра. По окончании этого процесса Вселенная оказалась состоящей на 75 % (по массе) из водорода и на 25 % – из гелия. Количество более тяжелых элементов было пренебрежимо мало.
Остальные элементы формировались позже. Элементы легче железа главным образом получаются в результате термоядерных реакций в звездах, которые по окончании своего жизненного цикла выбрасывают часть наработанных элементов в окружающее пространство. Элементы «железного пика» (Fe, Ni, Co) в основном образуются и попадают в межзвездную среду в результате вспышек сверхновых разного типа. Таким же образом образуются и многие более тяжелые элементы. Наконец, часть тяжелых элементов (например, золото) могут формироваться в результате слияния нейтронных звезд в двойных системах.
5.1. Первичный состав. Реакции в ранней Вселенной. Первые звезды
Наряду с наблюдением реликтового излучения, определением параметров крупномасштабной структуры и данными по динамике расширения видимой части Вселенной модель первичного нуклеосинтеза является одной из основ современной космологии.
Элементы тяжелее гелия в основном формируются в звездах или в катастрофических процессах, связанных со звездными остатками.
По мере расширения Вселенной ее температура и плотность уменьшаются. Спустя несколько секунд после начала расширения, когда температура снижается до 108–107 K, создаются условия для протекания термоядерных реакций.
Первичный нуклеосинтез протекает в период от нескольких секунд до нескольких минут после начала расширения Вселенной.
Первыми образуются ядра дейтерия. Однако они эффективно «сгорают» в последующих реакциях, и лишь ничтожное количество этого изотопа попадет в первые звезды и межзвездный газ. Поэтому изучать его первичное обилие очень непросто. В последнее время это удается сделать путем изучения спектра очень далеких квазаров.
Затем наступает очередь более тяжелых ядер. В частности, формируется большое количество ядер гелия-4 (4He). Однако значительная часть протонов не попадает в состав сложных ядер по причине нехватки нейтронов, которых на этой стадии примерно в семь раз меньше. Это связано с тем, что нейтрон немного тяжелее протона, поэтому в ранней Вселенной формируется разное количество этих частиц. В ядре гелия-4 два протона и два нейтрона, и, если Вселенная состоит только из водорода и гелия, а отношение числа нейтронов и протонов составляет 1/7, можно легко подсчитать, что на одно ядро гелия придется 12 протонов (ядер водорода 1H). Масса ядра гелия-4 примерно в 4 раза больше массы протона, поэтому доля гелия (по массе) во Вселенной составляет 4/16 (т. е. 1/4), а доля водорода – 3/4.
По окончании эпохи первичного нуклеосинтеза барионное вещество во Вселенной в основном состоит из водорода (75 %) и гелия (25 %).
Доля элементов тяжелее гелия во Вселенной в эту эпоху крайне мала, поскольку присоединение нейтронов и протонов к гелию-4, а также объединение двух ядер гелия-4 (альфа-частиц) не приводит к образованию устойчивых ядер (таковых с массами 5 и 8 не существует). Из более тяжелых элементов образуются только небольшие количества 7Li и 7Be (бериллий достаточно быстро превращается в литий, захватывая электрон). Однако Вселенная достаточно быстро расширяется (ее плотность падает) и остывает. Кроме того, постепенно становится важным распад свободных нейтронов. Поэтому спустя примерно тысячу секунд термоядерные реакции полностью прекращаются, и химический состав остается постоянным до образования первых звезд.
Первые модели первичного нуклеосинтеза появились в 1940-е гг. в работах Ральфа Альфера (Ralph Alpher), Георгия Гамова и Роберта Хермана (Robert Herman). Побочным эффектом этих работ стало предсказание существования реликтового излучения и достаточно точное теоретическое определение его температуры. В конце 1960-х – начале 1970-х гг. эта тема активно развивалась, и в настоящий момент теория первичного нуклеосинтеза является развитым разделом астрофизики ранней Вселенной. Точность расчетов первичного нуклеосинтеза постоянно растет, потому что данные экспериментов позволяют уточнять сечения ряда термоядерных реакций, также уточняется время жизни свободного нейтрона. Кроме того, предсказания модели первичного нуклеосинтеза постоянно проверяются на основе результатов наблюдений.
Основы модели нуклеосинтеза были заложены в 1940-е гг. Альфером, Гамовым и Херманом.
Данные наблюдений реликтового излучения (в первую очередь полученные с помощью спутников WMAP и Planck) позволяют достаточно точно определить количество барионного вещества во Вселенной. Это дает возможность с высокой точностью рассчитать ожидаемое соотношение различных изотопов по окончании эпохи первичного нуклеосинтеза. Если бы вклад барионов в полную плотность Вселенной был выше, доля гелия-4 возросла бы, а доля дейтерия и гелия-3 – упала, поскольку они тогда активнее перерабатывались бы в гелий-4. Содержание лития ведет себя более сложным образом. В итоге массовая доля гелия-4 во Вселенной на момент окончания эпохи первичного нуклеосинтеза составляет чуть менее 25 %, доля водорода (1H) – 75 %, а на остальные элементы и их изотопы приходится существенно меньше 1 %.
Наблюдения содержания различных элементов, таких как D, 3He, 4He, 7Li, в том числе и в очень далеких объектах, которые мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад, а также в очень старых звездах – самых первых в нашей Галактике, показывают, что модель первичного нуклеосинтеза находится в хорошем согласии с результатами наблюдений. Однако получение данных о первичном химическом составе является очень непростой задачей, поскольку реакции в звездах и другие процессы постоянно меняют химический состав Вселенной, а наблюдать первичное вещество непосредственно мы пока не можем. Существуют вопросы с объяснением наблюдаемого содержания лития, но такие проблемы не ставят под сомнение модель в целом.
Данные по реликтовому излучению позволяют определить плотность барионов и тем самым уточнить предсказания модели первичного нуклеосинтеза.
5.2. Химическая эволюция Вселенной. Звезды
Детальные исследования позволяют с высокой точностью определить относительное содержание элементов в Солнце (так называемый солнечный химический состав), в других звездах, межзвездной среде. Содержание различных элементов в Солнечной системе также хорошо известно – оно соответствует составу туманности, из которой образовалась Солнечная система. Все это позволяет вполне надежно судить и о содержании элементов во Вселенной.
Самыми распространенными (благодаря первичному нуклеосинтезу) являются водород и гелий. В десятку самых часто встречающихся элементов входят также кислород, углерод, неон, железо, азот, кремний, магний, сера. Этот ряд элементов в порядке уменьшения распространенности плавно падает вплоть до висмута (при этом элементы с четным числом частиц в ядре обычно чуть более распространены). После висмута в содержании элементов наблюдается серьезное снижение, и последовательность заканчивается на уране (более тяжелые ядра неустойчивы, и их содержание в природе крайне мало). Формирование всех этих элементов в основном связано со звездами и их остатками, начиная со звезд населения III, рождающихся спустя десятки миллионов лет после Большого взрыва. При этом даже межгалактические облака, наблюдаемые с большим красным смещением, уже хоть немного, но обогащены элементами тяжелее гелия, в первую очередь благодаря взрывам первого поколения звезд (населения III).
Звезды могут иметь различные параметры: температуру, размер, время жизни, внутреннюю структуру. Ключевым параметром для этих объектов является масса, которая варьирует примерно от нескольких сотых долей до сотен масс Солнца. Однако все звезды объединяет то, что в их недрах идут термоядерные реакции: легкие элементы превращаются в более тяжелые. С момента своего появления именно звезды (и их остатки) определяют химическую эволюцию Вселенной – изменение содержания различных элементов.
Водород и гелий – самые распространенные элементы во Вселенной. Остальные элементы в основном формируются в результате эволюции звезд и их остатков.
Больше всего времени любая звезда проводит на стадии Главной последовательности, где идут реакции превращения водорода в гелий (одним из первых такую идею рассмотрел Артур Эддингтон). Таким образом, благодаря существованию звезд во Вселенной массовая доля водорода непрерывно уменьшается. Однако на гелии реакции останавливаются лишь в самых легких звездах, а в других они идут дальше – вплоть до элементов «железного пика».
Термоядерные реакции в ядрах звезд идут до элементов «железного пика».
Термоядерные реакции в звездных недрах идут при высокой температуре и плотности, поскольку положительно заряженным ядрам для слияния нужно преодолеть кулоновский барьер, связанный с электростатическим отталкиванием. Это происходит благодаря квантовому туннелированию. Такой процесс впервые был рассмотрен Георгием Гамовым, а затем важный вклад в разработку этого эффекта в применении к звездам внесли Роберт Аткинсон (Robert d'Escourt Atkinson) и Фриц Хоутерманс (Fritz Houtermans). Наконец, в конце 1930-х гг. Ганс Бете и Карл фон Вайцзеккер построили модель горения водорода в звездах.
На первом этапе водород превращается в гелий. Для дальнейших реакций нужны более высокие плотности и температуры, поэтому они идут только в более массивных звездах. Эти стадии впервые были подробно рассмотрены Фредом Хойлом. Затем в деталях модель нуклеосинтеза была разработана в 1950-е гг. в работах Алистера Кэмерона (Alastair Cameron) и группы ученых с участием Фреда Хойла (знаменитая статья B2HF – Бербидж, Бербидж, Хойл, Фаулер). Термоядерные реакции в ядрах звезд идут с выделением энергии вплоть до элементов группы железа (так называемого «железного пика»), а синтез более тяжелых элементов идет с поглощением энергии, поэтому они в ядрах звезд не образуются.
С точки зрения химической эволюции Вселенной важно не только создать элементы, но и выбросить их в межзвездную среду. Значительная часть элементов, синтезированная в процессе жизненного цикла звезды, накапливается в ее ядре. Во внешнюю среду они могут попасть только в результате катастрофических процессов. Такими процессами в первую очередь являются взрывы сверхновых. Это могут быть сверхновые, связанные с коллапсом ядра массивной звезды, или же сверхновые типа Ia (термоядерный взрыв белого карлика). Во время взрыва происходит не только выброс элементов в окружающую среду, но и синтез новых элементов. Кроме того, новые элементы возникают и после взрыва за счет распада образующихся радиоактивных изотопов.
Наряду с одиночными звездами (или широкими двойными) тесные звездные пары могут внести свой особый вклад благодаря экзотическим процессам, протекающим в таких системах. Известен феномен новых звезд. В них вещество накапливается в результате аккреции на белом карлике в тесной двойной системе, а затем в накопленном веществе происходит термоядерный взрыв. Наблюдения показали, что сброшенное вещество обогащено ядрами углерода, азота и кислорода (CNO). По всей видимости, это не ядра, синтезированные в результате вспышки, а вещество из внешних слоев белого карлика. Таким образом, вспышки новых помогают сбрасывать часть вещества, накопленного в ядре звезды в течение ее эволюции.
Большое количество элементов синтезируется и выбрасывается во внешнюю среду в результате вспышек сверхновых.
Аналогом вспышек новых звезд являются вспышки рентгеновских барстеров, только аккреция и накопление вещества в данном случае происходит не на белый карлик, а на нейтронную звезду. В результате таких вспышек должно происходить образование элементов с массами до 110 атомных единиц за счет быстрого захвата протонов. Если это вещество эффективно сбрасывается в окружающую среду, то такой сценарий вносит большой вклад в содержание богатых протонами относительно легких ядер (не тяжелее теллурия).
Экстремальным примером сброса вещества белых карликов являются сверхновые типа Ia. При слиянии двух белых карликов, суммарная масса которых превосходит критическую, или при длительной аккреции вещества на белый карлик происходит мощный термоядерный взрыв, приводящий к полному разлету вещества (при этом также идут реакции синтеза). Основная часть железа, окружающего нас, появилась именно в результате таких событий. Кроме того, огромное количество железа, синтезируемого массивными звездами, по большей части оказывается внутри нейтронных звезд и черных дыр, где разрушается и не попадает в окружающее пространство.
Окружающее нас железо в основном обязано своим происхождением взрывам белых карликов.
Далеко не все тяжелые элементы образуются в ядрах звезд. Реакции образования тяжелых элементов, не связанные с термоядерным горением в ядрах звезд, делят на несколько групп. Это медленный (s-) процесс, быстрый (r-) процесс и p-процесс (связанный с p-ядрами, в которых много протонов).
s-процесс, предложенный Дональдом Клейтоном (Donald D. Clayton), связан с медленным захватом нейтронов. В s-процессе образуются элементы с самыми разными массами, но он более важен для элементов с массами ядер менее 100, а также в районе масс 138 и 208. Поставщиком нейтронов в основном являются реакции захвата альфа-частиц ядрами 13C и 22Ne. Первая реакция дает 16O и нейтрон, а вторая – 25Mg и нейтрон. S-процесс идет в первую очередь во внешних слоях звезд-гигантов, поэтому образующиеся в этом процессе элементы потом легко попадают в межзвездную среду в результате сброса оболочек. Освобожденные в результате s-процесса нейтроны легко проникают в ядра, а затем в результате бета-распада, т. е. испускания электрона, превращаются в протоны. Таким образом происходит переход элемента в таблице Менделеева на одну клетку вправо.
Ядра могут захватывать нейтроны и очень быстро (r-процесс): скорость захвата при этом существенно превосходит темп бета-распада. Это позволяет при наличии очень мощного потока нейтронов за короткое время продвинуться в сторону тяжелых ядер. Такой процесс реализуется в двух основных случаях: взрывы сверхновых с коллапсом ядра и слияние нейтронных звезд. В обоих случаях есть мощный поток нейтрино (и антинейтрино), который способствует появлению элементов, богатых нейтронами (вплоть до урана). Современные расчеты показывают, что элементы с массой ядра более 140 в основном синтезируются при слияниях нейтронных звезд.
s-процесс – это медленный захват нейтронов, который идет в оболочках звезд-гигантов.
Распад образовавшихся радиоактивных элементов вносит большой вклад в кривые блеска сверхновых (на поздних стадиях) и в светимость пока еще гипотетических «килоновых», возникающих в результате слияния нейтронных звезд.
r-процесс – это быстрый захват нейтронов, который идет при взрывах сверхновых и слияниях нейтронных звезд.
Особый, так называемый p-процесс необходим для создания богатых протонами ядер. К ним относятся, например, 74Se, 92Mo, 120Te, 190Pt. Обсуждается два варианта p-процесса: или в ядро добавляются протоны, или из него убираются нейтроны. В настоящее время нет полной ясности в том, какой вариант является преобладающим, поскольку пока не выявлены астрофизические сценарии, в которых сразу с нужной эффективностью создавались бы все p-ядра. По всей видимости, часть таких ядер формируется в результате выбивания нейтронов фотонами. Это возможно в горячей плазме, при температуре 2–4 млрд градусов, когда по веществу проходит фронт ударной волны во время вспышки сверхновой. Возможно, что мощный поток нейтрино помогает в этой же ситуации сформировать еще некоторые p-ядра.
Литий, бериллий и бор образуются в реакциях скалывания с участием космических лучей.
Наконец, литий, бериллий и бор формируются в так называемых реакциях скалывания (небольшие количества изотопа 7Li образуются также в результате первичного нуклеосинтеза): частицы космических лучей, обладающие большими энергиями, налетают на ядра и раскалывают их с образованием легких элементов. Вероятность взаимодействия частицы с ядром невелика, поэтому такие реакции происходят довольно редко, и этих элементов в природе довольно мало. Интересно, что не только протоны космических лучей могут образовывать легкие ядра в результате «налетания» на ядра кислорода, углерода, азота и т. д. в межзвездной среде, но и наоборот – CNO-ядра космических лучей могут взаимодействовать с водородом и гелием в межзвездной среде. В результате космические лучи обогащаются LiBeB-ядрами по сравнению с типичным солнечным химическим составом.
Измеряя химический состав звезд разных возрастов, можно изучать химическую эволюцию нашей Галактики и других галактик. Важный вклад в эту область исследований внесла Беатрис Тинслей (Beatrice Tinsley), написавшая в 1970-е гг. ряд фундаментальных статей по эволюции галактик, в том числе и в контексте изменения содержания различных элементов. Наблюдения показывают, что наиболее старые звезды оказываются бедны тяжелыми (тяжелее гелия) элементами. Качественно картина химической эволюции в настоящее время представляется понятной, но в ней есть еще много нерешенных проблем.
Глава 6
Компактные объекты: белые карлики и нейтронные звезды
Существует три основных типа компактных объектов: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Все три могут являться финальными стадиями звездной эволюции. Кроме того, черные дыры могут возникать на ранних этапах эволюции Вселенной и в результате коллапса облаков газа. Все три типа объектов связаны с очень интересной физикой, поскольку вещество внутри и/или в окрестности этих объектов находится в экстремальном состоянии. Это делает наблюдательные проявления этих объектов разнообразными и захватывающими. С точки зрения астрономов, между этими объектами также есть много общего: будучи компонентами двойных систем, они часто проявляют себя благодаря аккреции вещества на них, а одиночные объекты могут быть обнаружены благодаря гравитационному микролинзированию.
Вещество белых карликов и нейтронных звезд, обсуждаемых в этой главе, находится при очень высокой плотности. Поэтому для их описания необходимо применять квантовую механику. Оба типа объектов рождаются горячими, поэтому в течение некоторого времени их можно видеть благодаря тепловому излучению поверхности. Нейтронные звезды, обладая мощными магнитными полями, а часто и быстрым вращением, наблюдаются также как радиопульсары, магнитары и другие типы источников.
6.1. Белые карлики
Белые карлики – это компактные объекты, являющиеся финальным продуктом эволюции маломассивных звезд с начальными массами менее 8–10 солнечных. При типичном радиусе от 5000 до 10 000 км белые карлики обладают типичными массами от 0,5 до 1 массы Солнца (при этом более тяжелые имеют меньший радиус). Это соответствует плотности вещества около тонны на кубический сантиметр. Столь высокая плотность делает их весьма необычными объектами, для описания которых необходима квантовая механика.
При эволюции ядра звезды типа Солнца образуется белый карлик – объект, устойчивый благодаря квантовому эффекту – запрету Паули.
Трудно сказать, кто и когда открыл первый белый карлик и какой объект был идентифицирован первым. В 1844 г. Фридрих Бессель показал, что у Сириуса – ярчайшей звезды ночного неба – есть невидимый компаньон достаточно большой массы (Сириус B). Увидеть его смог в 1862 г. Алван Кларк (Alvan Clark), но лишь в 1915 г. стало ясно, что это именно белый карлик, который до сих пор остается самым близким из всех известных астрономам (до него менее 9 световых лет). История другого кандидата, белого карлика в тройной системе 40 Эридана, начинается в 1783 г., когда Уильям Гершель обнаружил, что у звезды 40 Эридана есть спутник. Теперь нам известно, что этот спутник является парой из белого и красного карлика. Именно для 40 Эридана В впервые в 1910 г. был получен достаточно хороший спектр, чтобы определить его температуру и радиус. Существует и третий кандидат – звезда Ван Маанена (Van Maanen star). Это первый обнаруженный и до сих пор самый близкий известный одиночный белый карлик, находящийся на расстоянии 14 световых лет от нас. Как белый карлик его идентифицировал Виллем Лейтен (Willem Luyten) в 1923 г., который, собственно, и ввел само название подобных объектов.
Фридрих Бессель в 1844 г. обнаружил невидимый спутник Сириуса, оказавшийся белым карликом.
Итак, астрономические наблюдения показали, что у звезд есть спутники, обладающие массой, как у звезд, радиусом, как у планет, и высокой температурой (отсюда и белый цвет, давший название этому типу объектов). Но оказалось, что даже в начале XX в. физика была не в состоянии объяснить природу этих объектов.
Простые расчеты показывают, что расстояния между атомами в белых карликах меньше, чем размер орбиты электрона в атоме. Это означает, что все атомы ионизованы. Такой способ «отрыва» электронов называется ионизацией давлением. Если рассчитать расстояние между электронами, оно окажется меньше длины волны де Бройля для этих частиц.
Чтобы описать устройство белых карликов, понадобилось дождаться создания квантовой механики. Недра белых карликов находятся в состоянии так называемого вырожденного газа. Его главной особенностью является то, что давление в основном определяется не температурой вещества, а его плотностью. В обычном газе для определения давления важно, с какой скоростью движутся частицы. А здесь плотность настолько велика, что скорость движения (т. е. температура) уже не так важна. Вещество сопротивляется сжатию из-за квантово-механических причин – из-за принципа (запрета) Паули.
Ральф Фаулер в 1926 г. построил первую теорию белых карликов.
Электроны являются фермионами (частицами с полуцелым спином), и их поведение описывается статистикой Ферми – Дирака. Согласно принципу Паули, два фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии (другими словами, такие частицы с одинаковыми параметрами не могут одновременно находиться внутри некоторого очень малого объема пространства). Это свойство, по сути, является основой химии. А в белых карликах оно приводит к тому, что их вещество сопротивляется сжатию, когда электроны пытаются упаковаться еще плотнее.
У белых карликов существует предельная масса. Слишком тяжелые карлики взрываются (сверхновая типа Ia) или коллапсируют, превращаясь в нейтронные звезды.
Теория белых карликов была разработана в конце 1920-х – начале 1930-х гг. Первая важная работа принадлежит Ральфу Фаулеру (Ralph Fowler), показавшему, что белые карлики устойчивы благодаря давлению вырожденного газа электронов. Затем последовал ряд работ Эдмунда Стонера (Edmund Stoner), Вильгельма Андерсона (Wilhelm Anderson), Якова Френкеля, Субраманьяна Чандрасекара (Subrahmanyan Chandrasekhar) и Льва Ландау. В 1930-е гг. были сформулированы все основные положения теории белых карликов. В частности, было показано, что существует верхний предел для массы этих объектов (сейчас он называется пределом Чандрасекара).
Самые тяжелые из известных в настоящее время белых карликов имеют массы около 1,3 солнечных, самые легкие – около 0,2. Интересно, что легкие карлики должны возникать из легких звезд, но при массе менее примерно 0,8 солнечной светило не успеет закончить свою жизнь, даже если оно возникло почти сразу после Большого взрыва. Так что самые легкие белые карлики возникли в двойных системах в результате процесса обмена веществом, а не из одиночных звезд.
Белый карлик с массой больше чандрасекаровской (примерно 1,4 массы Солнца) теряет устойчивость и коллапсирует в нейтронную звезду. Однако чаще всего углеродно-кислородные белые карлики чуть раньше (при немного меньшей массе) становятся неустойчивыми относительно начала в них термоядерной реакции горения углерода, приводящей к взрыву – сверхновой типа Ia.
Субраманьян Чандрасекар в 1931 г. обосновал существование верхнего предела масс белых карликов. Этот же результат независимо от него был получен Эдмундом Стонером, Вильгельмом Андерсоном и Львом Ландау.
Будучи продуктами эволюции многочисленных маломассивных звезд, белые карлики и сами являются весьма многочисленными, их число составляет более нескольких процентов от всех звезд Галактики, т. е. десятки миллиардов. Известны десятки тысяч белых карликов, в подавляющем большинстве – в нашей Галактике. Обнаруживать старые одиночные объекты этого типа непросто – они успевают остыть до температур в несколько тысяч градусов, что при небольшом радиусе делает их очень слабыми источниками. Поэтому они видны в основном в солнечной окрестности на расстояниях менее 1000 световых лет. Вещество внутри остывших белых карликов может перейти в новое состояние – кристаллизоваться.
Белые карлики могут очень быстро вращаться. Самые быстрые из них имеют периоды (т. е. «сутки») меньше минуты, и при размере объектов, сравнимом с размером Земли, скорость на экваторе достигает тысячи километров в секунду (порядка процента от скорости света!). Кроме того, белые карлики могут образовать очень тесную двойную систему с большой орбитальной скоростью. Рекорд принадлежит системе HM Рака, где «год» длится около 5 минут, т. е. орбитальная скорость превосходит миллион километров в час. Такая система должна быть мощным источником гравитационных волн, которые можно будет зарегистрировать с помощью космического лазерного интерферометра, такого как проект eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna, Усовершенствованный космический лазерный интерферометр).
Первые обнаруженные белые карлики являются компонентами двойных систем. Впоследствии оказалось, что двойственность белых карликов может приводить к важным последствиям: взрывам и синтезу элементов.
В достаточно тесных системах на некоторой стадии эволюции вещество может начать перетекать с одной звезды на другую – начинается аккреция. Захват вещества белым карликом приводит к появлению интересных источников излучения. Падение 1 г вещества на белый карлик приводит к выделению примерно 10 млрд Дж энергии, поэтому поток газа с нормальной звезды на компактную является причиной мощного излучения. Есть несколько типов источников, связанных с аккрецией на белые карлики: например, поляры. Свое название они получили благодаря сильной поляризации их излучения, что связано с мощными магнитными полями белых карликов.
В нашей Галактике находятся десятки миллиардов белых карликов.
Магнитные поля белых карликов могут достигать очень больших величин – в миллиард раз больших, чем у Солнца. Впрочем, подобные объекты редки, однако даже типичные белые карлики могут иметь сильные магнитные поля, в тысячи и даже в миллионы раз больше солнечных.
Поляры относятся к катаклизмическим переменным звездам. Как следует из их названия, эти источники показывают большие вариации блеска. Но среди них есть источники, чья переменность имеет действительно катастрофический характер, – это так называемые новые звезды.
Вспышка новой – это термоядерный взрыв на поверхности аккрецирующего белого карлика в двойной системе.
Во время вспышки новой блеск системы может возрасти в миллионы раз. Без мощных телескопов это выглядит как появление новой звезды на небе, отсюда и название, которое еще в XVI в. дал этим объектам Тихо Браге (Tycho Brahe) (правда, наблюдал он то, что мы теперь называем сверхновой, но понадобились сотни лет, чтобы разобраться в этом). Затем блеск на протяжении нескольких месяцев спадает, возвращаясь к первоначальному значению. Вспышка новой – это термоядерный взрыв на поверхности белого карлика. Вещество, перетекающее на него со звезды-соседки, состоит из водорода и гелия. По мере накопления вещество уплотняется и разогревается, пока наконец не достигаются условия для начала термоядерной реакции – и тогда происходит взрыв. Чаще всего мы наблюдаем именно термоядерное горение водорода (в нашей Галактике это происходит примерно полсотни раз в год, хотя не все случаи удается зарегистрировать), но могут происходить и вспышки, связанные с горением гелия.
Если на белый карлик течет достаточно много вещества, то, казалось бы, он может быстро нарастить свою массу, достичь предела (близкого к чандрасекаровской массе) и взорваться. Однако чаще всего такой процесс занимает много времени из-за вспышек новых (или их аналогов). При этом почти все накопленное вещество сбрасывается, и процесс начинается сначала. Однако существуют двойные системы, чья эволюция в конце концов завершается взрывом белого карлика.
Сейчас полагают, что основная часть сверхновых типа Ia происходит при слияниях белых карликов, чья суммарная масса превосходит предельную (если суммарная масса ниже, то просто образуется массивный быстровращающийся белый карлик, возможно, с сильным магнитным полем). В галактике вроде нашей они случаются раз в две-три сотни лет. Такие сверхновые являются важным поставщиком тяжелых элементов, поскольку обычно происходит полный разлет вещества звезды (в отличие от сверхновых с коллапсом ядра, где значительная масса остается в виде компактного объекта – нейтронной звезды или черной дыры). Кроме того, эти сверхновые важны для космологических наблюдений, они дают возможность определить расстояние до галактик, в которых находятся. Именно наблюдения сверхновых типа Ia позволили в 1998 г. открыть ускорение расширения Вселенной, которое мы связываем с действием темной энергии (см. раздел 11.6 «Ускоренное расширение Вселенной. Темная энергия. Будущее Вселенной»).
Сверхновые типа Ia – это взрыв белого карлика.
Если суммарная масса слившихся карликов заметно больше чандрасекаровской, то сверхновая получается особенно мощной, поскольку в реакциях принимает участие бóльшая масса. Такие вспышки тоже наблюдаются астрономами.
Иногда в результате коллапса белый карлик может превращаться в нейтронную звезду.
Хотя чаще всего белый карлик полностью взрывается, набрав большую массу, иногда может происходить коллапс с образованием нейтронной звезды; для этого карлик должен добраться до чандрасекаровского предела и не взорваться. Это возможно с изначально массивными объектами, состоящими из кислорода, неона и магния. Нейтронные звезды могут, по-видимому, возникать и при слияниях двух массивных белых карликов, и при постепенной аккреции на карлик в двойной системе.
Особую роль в астрофизике играют системы, состоящие из белого карлика и радиопульсара. В таких парах наблюдаются самые массивные из известных нейтронных звезд.
Поделиться книгой: