Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн
Подождите немного. Документ загружается.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
211
211
наш ей Зем ли, и электри чески заряж енн ы х части ц , которы х п оддерж ивает от
«паден и я» внутрь пульсара то ж е м агнитное п оле: эта атм осф ера из м агни тного п оля
и электри чески заряж ен н ы х частиц на п оверхн ости п ульсара увлекается эти м
вращ ен и ем с околосветовой скоростью . И м ен н о п ри тако м бы стром вращ ении его
м агнитосф ера стан овится дей ствительны м источн и ком радиоволн .
М агнитосф ера н а п оверхн ости п ульсара работает как син хротронны й
ускори тель, где электрически заряж енн ы е части ц ы (электрон ы ) ускоряю тся
м агнитн ы м п олем , увлекаем ы м вращ ен и ем п ульсара, с околосветовой скоростью :
заряж ен н ы е электри чески е части ц ы п ри ускорен и и со световой скоростью и злучаю т
электром агн и тн ы е волны в разли чн ы х ди апазон ах — ради о, оптическом , гам м а-
излучени я, рентгеновском , косм и чески х лучей.
Т аковы уди ви тельны е свой ства пульсаров как вращ аю щ и хся н ам агн и ченн ы х
звезд: он и дей стви тельн о п арадоксальны , стабильн ы и всеобщ и у всех
исследован н ы х п утем н аблю дени й и расчетов п ульсаров как нейтрон н ы х звезд.
П оэтом у п ульсары бы ли иден тиф и ц и рован ы с вращ аю щ и м ися н ам агн и ченн ы м и
ней трон н ы м и звездам и: н ейтрон н ы е звезды — п ульсары .
Н аконец , в-пяты х, учены м и -специалистам и бы ла разгадан а ещ е одн а загадка
пульсаров как н ейтрон н ы х звезд: откуда п ульсар черп ает энерги ю вращ ен и я?
В ращ аю щ аяся н ейтрон н ая звезда черп ает эн ергию своего вращ ен и я с околосветовой
скоростью из запасов грави таци он н ой эн ергии сверхп лотного вещ ества: поле
тяготени я такого сверхп лотн ого вещ ества вели ко. О н о содерж ит огром н ую эн ергию ,
экви валентн ую м ассе — Е = М
0
с
2
. И м ен н о благодаря сверхбы стром у вращ ению с
околосветовой скоростью н ейтрон н ая звезда черп ает из зап асов грави тационной
энерги и сверхп лотн ого вещ ества, плотн ость которого ρ = 10
15
г/см .
И все ж е пульсац и и пульсаров как вращ аю щ и хся нейтрон н ы х звезд не м огут
продолж аться бескон ечн о (т. е. вечно), ибо у всякого конечного ф еном ена не
бесконечн а его энерги я: конечн ы й ф ен ом ен обладает конечной эн ерги ей. П о
соврем ен н ы м расчетам , пульсац и и пульсаров будут п родолж аться в п ределах от 10
7
до 10
8
лет, т. е. от 10 м лн до 100 м лн лет: таков срок ж изни нейтрон н ой звезды ,
отведенны й ей сам ой п риродой . Н и что н е вечн о в этом м и роздан и и . В се м алое и все
вели кое врем енн ы . В рем я, как сказал Ф ридрих Н ицш е, — ф ен ом ен , которы й
пож и рает всех свои х детей.
И так, м ы рассм отрели п ульсары , которы е н аводят н ас н а м ы сль о том , что
В селенная н е такая сп окой н ая и равном ерн ая, как нам каж ется, когда м ы созерц аем в
лун н ую ночь н аш небосвод: н аш а В селенная — неистовая, как н азвал свою кн и гу
«Н еи стовая В селенн ая» зам ечательны й и н ди й ский астроф и зик Д ж . Н арли кар.
В сам ом деле, н аш а В селенная, как н аш а еди н ствен н ая оби тель, неи стова: в ней
В ели кое превращ ается в больш ое, а больш ое — в м алое за счи танн ы е м и н уты (и ли
секунды ). П ространствен н ая разм ерн ость м ногом илли он н ы х ки лом етров за
м гн овени е ока п ревращ ается в 10 -килом етровы е ком пактны е объекты , каковы м и
являю тся п ульсары . Н о м алое не ф и зически и ли м атем ати чески , а ф и лософ ское,
которое воплощ ает вели кое — как сверхплотное вещ ество в п ульсарах и ли как
бесконечн ость п лотн ости его в син гулярности : вели кое и м алое суть
взаи м оп роникаю щ и е реальн ости .
П оэтом у и м алое, как сверхплотн ое вещ ество в ком п актн ой разм ерн ости
простран ства, м ож ет стать В ели ки м и стан ови тся им (Б ольш ой взры в си н гулярности
и и н ф ляци он н ая В селенн ая и т. д.). П оэтом у м алое как ф и лософ ская категори я —
вы раж ен и е взаи м озависим ости трех ф ундам ентальн ы х реальностей — м атери и , про-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
212
212
странства и врем ени : изм енени е одной и з этих реальн остей влечет за собой
ради кальное и зм енени е двух других или , наоборот, двух други х — одн ого.
М алое сам о по себе В ели кое, и В ели кое сам о п о себе м алое. Б ез м алого не
сущ ествует и не м ож ет сущ ествовать вели кое: пульсар как н ейтрон н ая звезда не
сущ ествует без м икрочасти ц -ф ерм ионов — нейтрон ов, п одчи н яю щ и хся закону
зап рета П аули как антиколлап сирую щ ем у закон у, и вм есте с тем пульсар как
ней трон н ая звезда — В ели кое как воп лощ ение сверхп лотного вещ ества. В природе
вели кое и м алое уж и ваю тся вм есте: это закон природы . Е сли бы м алое не бы ло бы
вели ки м , то п ульсар как н ейтрон н ая звезда н е м ог бы вращ аться со скоростью ,
близкой к скорости света: он расп ался бы на отдельны е куски, осколки.
С обственно говоря, сам о образован и е вели кой круп н ом асш табной структуры
В селенной как ц елостной суп ерструктуры абсолю тн о нем ы сли м о без м алого —
части ц , ядер, атом ов, м олекул и т. д. П оэтом у нам представляется, п еред ф и лософ ам и
стоят больш и е и трудн ы е задачи переосм ы слени я старой традиционн ой
категориальной си стем ы н а основе достиж ен и й ф и зи ки части ц , астроф и зи ки и
соврем ен н ой косм ологи и : черн ы е ды ры , пульсары , квазары , акти вны е галакти ки и т.
д. и т. п. требую т н астоятельного н ового ф и лософ ского осм ы слени я и п роясн ени я.
г. Н ей тр он н ое в ещ еств о к ак св ер хп л отн ое в ж и дк ой
сф ер е
Н апом н и м , что ран ее м ы останавли вали сь н а м ом ен те, когда ядерн ое горю чее в
цен тре звезды и счерпалось (там образовали сь атом ны е ядра груп п ы ж елеза),
терм оядерн ы е реакции в ядре звезды п рекратили сь, и оно стало неудерж им о
сж и м аться под дей ствием си л тяготения. П о м ере сж ати я цен тральн ая область звезды
все больш е разогревается, в результате н ачин ается обратн ы й п роц есс распада
тяж елы х атом н ы х ядер на α-части ц ы , нейтрон ы и п ротон ы .
В обы чны х услови ях н а Зем ле свободн ы й н ейтрон ж ивет н е очен ь долго:
прим ерн о за 12 м и н (это п ери од п олурасп ада н ейтрон а) он расп адается н а протон ,
электрон и ан ти н ейтри н о:
О дн ако вы сокая п лотность вещ ества в ц ентре звезды п ри води т к том у, что
ней трон там сущ ествует как стабильная частиц а. Б олее того, происходи т обратны й
процесс превращ ени я п ротон ов в н ей трон ы с и спускан и ем п озитронов и нейтрин о п о
схем е:
Т аки м образом , число н ейтрон ов в ц ентре звезды н епреры вн о возрастает.
В ещ ество ц ен тральной области звезды стан ови тся, как говорят, нейт ронно-
дом инированны м . И это увели чен и е чи сла н ейтрон ов начи н ает п реп ятствовать
дальнейш ем у сж ати ю ядра звезды . Здесь в и гру вступ ает так назы ваем ое давлени е
вы рож денного нейт ронного газа, связан н ое с кван тово-м ехани чески м и эф ф ектам и .
Э то давлени е возн и кает очен ь резко — за столь м алое врем я, что за н его не успеть
нап и сать и п ару строк. Д авлен и е станови тся настолько больш им , что гравитационн ое
сж ати е н а врем я п риостанавливается — происходи т от скок. Э то тот сам ы й отскок в
ядре звезды , которы й порож дает в сверхновой ударную волну.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
213
213
О дн о и з важ нейш их дости ж ени й кван товой м ехани ки состоит в откры ти и
особого класса части ц , н азы ваем ы х ф ерм ионам и. И х особенн ость заклю чается в том ,
что два оди н аковы х ф ерм и он а н е м огут находиться в одн ом и том ж е кван товом
состоянии. Э то известн ое п равило кван товой м ехани ки, н азы ваем ое принципом
П аули.
К ф ерм ион ам отн осятся, в частн ости, электроны , п ротоны и н ейтрон ы . А что
означает вы раж ени е «две частицы н аходятся в оди н аковом состоян и и »? С остоян и е
части ц ы характери зуется некоторы м чи слом дин ам ических п ерем ен н ы х, таки х как
энерги я, им пульс, м ом ен т и м пульса, сп и н и т. д. П оэтом у, если м ы , скаж ем ,
рассм атри ваем электроны в н екотором задан н ом объем е, им ею щ ем определен н ую
энерги ю , то м ы долж ны п редпол агать, что они разли чаю тся по други м дин ам и ческим
характери стикам , в дан н ом случае — п о сп и н у и им п ульсу. Т аки м образом , п ри
заданн ой общ ей эн ергии чи сло электронов в данн ом объем е огран и чено п равилом
квантовой м ехан и ки. Д опустим ое число электронов, а вм есте с н и м и х давлен и е,
растут с увели чени ем плотн ости эн ерги и п о определенн ом у закон у.
Э ти кван товы е эф ф екты весьм а сущ ественн ы п ри такой вы сокой п лотн ости
вещ ества, которая и м еет м есто в белы х карли ках и н ейтрон н ы х звездах. Э лектроны в
белы х карли ках и н ей трон ы в н ейтрон н ы х звездах расп ределяю тся таким образом ,
что низкоэн ергетические состояни я оказы ваю тся зан яты м и , а соотн ош ен и е давлен и е
— эн ергия следует вы ш еупом ян утом у закон у.
В таки х случаях говорят, что вещ ество вы рож дено, п отом у что составляю щ ие
его части ц ы (электроны — в белы х карли ках и н ей трон ы — в ней трон н ы х звездах)
ж естко огран и чены в движ ен и ях и в отн ош ен и и н екоторы х других ф и зи чески х
свой ств.
С ам о ж е ядро после отскока расш иряется недолго, потом у что при расш ирен и и
давлени е очен ь бы стро падает. Я дро сн ова начи н ает сж им аться. Т аким образом , ядро
м ож ет соверш ить н есколько колебан и й «сж атие — расш ирени е», п осле чего
переходи т в некоторое стац и он арн ое состоян и е п ри условии, что давлени е
вы рож денн ого газа ф ерм ион ов м ож ет проти востоять силам тяготени я . А это
возм ож но только в том случае, если м асса ядра не сли ш ком вели ка — во всяком
случае, н е больш е 2-3 M
⊙
П оэтом у важ н о знать, сколько вещ ества остается в ц ентральной области звезды ,
сохран яю щ ейся п осле взры ва. Р асчеты п оказы ваю т, что, н апри м ер, для звезды с
начальной м ассой 25 M
⊙
, остается м асса, равная п ри м ерн о 1,6 M
⊙
В результате возникает устой чи вая звезда, состоящ ая в основн ом из н ейтрон ов.
П лотность вещ ества в ц ен тре нейтрон н ой звезды дости гает 10
15
г/см
3
.
В зры в — это свидетельство н аруш ен и я вн утренн его равновеси я звезды , и , чтобы
понять, п очем у и когда это наруш ен и е происходи т, н еобходи м о преж де всего знать,
как вообщ е поддерж и вается равн овесие в звездах.
В п реды дущ их главах м ы говори ли о том , как собственн ое гравитац и онное п оле
м асси вн ы х объектов заставляет и х сж им аться. И если вн утрен н ее давлени е
недостаточно для того, чтобы воспрепятствовать сж атию , то м асси вн ы е объекты
коллап сирую т.
Т от ф акт, что С олнц е, м асса которого составляет 2 •10
30
кг, сохраняет
неи зм енн ы м и свои разм еры , свидетельству ет о сущ ествовании вн утри н его си льного
давлени я. К ак ж е создается такое давлени е?
С огласно соврем ен н ы м представлен и ям , звезды образую тся п ри сж ати и
м еж звездного газо-пы левого облака. П о м ере сж атия облако п остепен н о дробится на
м н ож ество м елких частей. К аж дая часть продолж ает сж и м аться дальш е и при этом
нагревается, особенн о в середин е. Э ту ран н ю ю стади ю ж изни звезд и сследовал
япон ский астроф изик Ч . Х аяш и.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
214
214
К огда тем п ература в цен тре звезды станови тся достаточн о вы сокой, н ачи н аю тся
реакции терм оядерно го си н теза: звезда, как говорится, вступ ает в пору своей
зрелости .
К ак только звезда н ачин ает «работать» как ядерн ы й реактор, качественн ая
картин а ее эволю ци и сводится к следую щ ем у. С н ачала благодаря реакци ям ядерн ого
си н теза водород п ревращ ается в гели й . В этом проц ессе вы свобож дается эн ерги я,
которая преп ятствует сж ати ю звезды под действи ем собственн ого тяготени я. П ока
реакции ядерного си н теза продолж аю тся, звезда, как говорят, н аходи тся н а главной
последовательности. С тадия главн ой последовательности — сам ая п родолж и тельная
в ж изн и звезды , п ри чем длительность ее зависит от м ассы звезды . Ч ем больш е м асса,
тем м еньш е врем я п ребы ван и я н а главн ой п оследовательности , так как в м асси вны х
звездах водород вы горает бы стрее.
К огда и счерпы ваю тся зап асы водорода, осо бен н о в ядре звезды , звезда н ачин ает
сж и м аться, ибо п осле п рекращ ен и я ядерн ы х реакций звезда теряет сп особность
противостоять тяготени ю . О дн ако, сж им аясь, ядро разогревается ещ е больш е, и в
результате п овы ш ения тем пературы н ачи н ается следую щ ий ц и кл ядерн ы х реакц ий. В
эти х реакци ях гели й п ревращ ается в углерод, затем превращ ается в кислород и н еон
и т. д.
Н а каж дой ступени этой сери и реакц и й образую тся все более м асси вн ы е
атом ны е ядра. К аж дое атом н ое ядро п оглощ ает дополнительно по одной α-части ц е
(т. е. по одном у ядру атом а гели я), при этом его заряд возрастает на 2, а м ассовое
число — на 4. К ак только ядра очередного ти п а превращ аю тся в более м ассивн ы е
ядра следую щ его тип а, си н тез прекращ ается. Э то ведет к ослаблен и ю
противодей стви я си лам тяготения, которы е сн ова н ачи н аю т сж и м ать ядро звезды ,
ещ е более п овы ш ая его тем п ературу. К огда тем пература достаточн о возрастает,
начи н аю тся ядерн ы е реакции следую щ его ци кла. И п ока они п родолж аю тся,
дальнейш ее сж ати е звезды п ри останавли вается. Э ти реакц и и приводят атом ны е, ядра
ещ е н а одн у ступ еньку вы ш е, добавляя им п о α-части ц е. П ри достаточн о вы соких
тем пературах он и м огут сли ваться в более м асси вн ы е ядра. Н апри м ер, при горении
углерода два ядра углерода соеди н яю тся, образуя ядро м агн и я. Т ак и продолж ается
этот м н огоступенчаты й п роцесс «вклю чения — вы клю чен и я» ядерны х реакций.
О дн ако сущ ествует п редельны й разм ер атом н ого ядра, вы ш е которого ядерн ы е
реакции син теза становятся энергет ически невы годны м и. Э тот п редел леж и т в
области ядер, близких к ядру ж елеза (м ассовое чи сло 56) и так назы ваем ой группе
ж елеза, куда входят ж елезо, кобальт и никель.
Ч то происходи т со звездой, п ока идут ядерны е реакции? Э то опять ж е зависит от
того, какова м асса звезды . В общ ем случае ядро звезды все больш е сж им ается и
нагревается, в то врем я как вн еш н яя оболочка расш иряется и охлаж дается. Т аким
образом , вн еш ни й наблю датель ви ди т, что разм ер звезды увели чи вается, а ее цвет
становится красн оваты м (п оследн ее — следстви е охлаж ден и я оболочки ). Т акие
звезды н азы ваю тся красны м и гигант ам и. Э то как раз тот м ом ен т в ж и зн и звезды ,
когда она готова п реврати ться в сверхновую , если только м асса ее достаточн о вели ка
(6 Л /о).
П о грубы м оценкам , звезда с м ассой, в 6 или более раз п ревы ш аю щ ей м ассу
С олнца, становится сверхновой и взры вается.
К акова общ ая структура звезды незадолго до взры ва?
О болочечное строени е звезды в стадии предсверхн овой нап ом и н ает строени е
луковицы : звезда им еет оболочечную , слои стую структуру. Ч ем глубж е н аходи тся
слой, тем вы ш е его тем пература и дальш е он п рош ел п о цеп очке ядерн ы х реакций.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
215
215
Т ак, внеш н яя оболочка состои т и з водорода. Э тот водород не участвует в
терм оядерн ы х реакц и ях, так как тем пература во вн еш ней оболочке ниж е п ороговой
тем пературы реакц и и . С ледую щ ая оболочка состои т в основн ом из гелия с
небольш ой при м есью углерода. Д алее н аходи тся углеродн ы й слой с небольш и м и
прим есям и ки слорода, н еон а и м агни я. Затем следую т тон кие слои неон а, ки слорода
и крем ния. И н акон ец , ц ен тральн ая часть звезды состои т из ядер, отн осящ ихся к
групп е ж елеза. Т ак как тяж елы е ядра образовали сь и з бо лее легких в результате
добавлени я α -частиц с м ассой 4 а. е. м ., то м асса каж дого последую щ его ядра больш е
м ассы преды дущ его н а 4 а. е. м .
Р и с. 2.4
Т еперь в цен тральн ой области звезды долж н о произой ти чт о-т о, вклю чаю щ ее
м ехани зм взры ва?
П реж де всего, очеви дн о, наруш ается равн овесие в ядре звезды , и давлени е там
уж е н е м ож ет п роти востоять силам тяготени я.
1. Т ак п рои сходи т потом у, что н а ядрах группы ж елеза процесс терм оядерн ого
си н теза закан чи вается, а ведь и м енн о вы делени е терм оядерн ой эн ергии
удерж и вает ядро звезды от сж ати я: устан авли вается п роти воборство
бари он и ческой и анти -барионической сил м атери и .
2. П ри сж ати и ядра звезды вы свобож дается гравитационн ая эн ергия. К аким образом
эта эн ергия п ередается и з ядра во внеш н и е области звезды ? П оэтом у сейчас
сосредоточи м вни м ан и е на внеш н и х слоях звезды , которы е вн езап н о получили
изнутри огром н ы й при ток эн ергии.
Р езкое воздей стви е н а вн еш н ю ю оболочку и зн утри и м еет характер ударн ой
волны ги ган тски х разм еров. У дарн ая волна обы чн о п редставляет собой поверхность
разры ва, т. е. поверхность, п о обе сторон ы которой давлен и е, плотн ость и
тем пература газа различн ы . Э то возм ущ ен и е распространяется в среде п одобн о звуку
у сверхзвукового сам олета. Р аспространяясь по звезде, гиган тская ударн ая волн а
производи т два эф ф екта.
Во-первы х, она разогревает вещ ество в слоях, леж ащ их вы ш е ядра звезды ,
вы зы вая в нем , хотя и нен адолго, терм оядерн ы е реакци и . Э тот п роцесс назы вается
взры в-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
216
216
ны м нуклеосин тезом . М акси м альн ая тем п ература в ударн ой волне н а н есколько
секунд дости гает прим ерн о 4·10
9
К в крем ниевой и кислородн ой оболочках,
постепенн о ум ен ьш аясь по м ере распространени я волн ы н аруж у.
Во-вторы х, ударн ая волн а разгоняет вещ ество оболочки до скорости,
превы ш аю щ ей параболическую скорость для п реодолен и я сил собствен н ого
грави тационного поля. П оэтом у оболочка отры вается от звезды и сбрасы вается в
м еж звездное п ространство. И м ен н о так в конечном счете и п рои сходи т взры в звезды
сверхн овой .
В п и ке свети м ости сверхн овая п о м ощ ности излучен и я м ож ет сравн и ться с
целой галакти кой , содерж ащ ей до ста м иллиардов обы чн ы х звезд.
Б олее п яти десяти лет назад два вы даю щ ихся астроном а Д ж . О п и к и Ф . Х ойл
независим о вы сказали предп олож ени е, что ги гантски й взры в звезды м ож ет
инициировать проц есс образован и я новы х звезд.
К ак м ы уж е пи сали, п редполагаю т, что звезды образую тся из сж и м аю щ егося
облака газа и пы ли . Т рудность (для объясн ени я) м ож ет заклю чаться в том , что
м еж звездн ы е облака сли ш ком разреж ены , чтобы н ачалось сж ати е. К огда вещ ество
си льно разреж ен о, си лы тяготени я сли ш ком м алы . Н а основан и и закона обратн ы х
квадратов н етрудн о п он ять, что собствен н ое поле тяготени я разреж ен н ого облака
настолько м ало, что даж е небольш ое вн утренн ее давлени е в облаке сп особн о
предотврати ть стрем ление си л тяготени я сж ать облако.
К аким ж е образом начин ается сж ати е? Н ачальны й сп у сковой м ехан и зм
зап ускает ударная волна, порож денн ая сверхновой . П од воздей ствием ударной волны
внеш няя оболочка сбрасы вается в окруж аю щ ее простран ство. С брош енн ое вещ ество
первон ачально удаляется во все сторон ы со скоростью около 10 000 км /с. П остеп енн о
оно зам едляется, сталкиваясь с разреж ен н ы м вещ еством в окруж аю щ ем
простран стве. П рим ерно за 1 О О О лет он о прой дет расстоян и е около 4 св. лет и
скорость его дви ж ени я п онизится до 1 000 км /с.
С ам ы е стары е из сохран и вш ихся остатков взры ва сверхновы х обн аруж и ваю т н а
расстояни ях 200 св. лет от м еста взры ва. И х скорость к этом у врем ен и падает уж е до
50 км /с. Т аки е осколки, н азы ваем ы е остаткам и сверхн овы х, зам ечены в сам ы х
разн ы х областях наш ей галакти ки.
С точки зрени я теори и звездообразован и я в этом процессе интересно то, что
ударн ая волна, связан н ая с разлетаю щ и м ся от сверхновой вещ еством , м ож ет создать
то сам ое первон ачальное сж атие м еж звездного облака, которое при води т в
дальнейш ем к разви тию проц есса звездообразован и я.
• С лой I. Т онкий внеш н и й слой (I) — это м агнитн ы й слой из плотн о уп акован н ы х
атом ов.
• С лой П . В следую щ ей области (II) ядра расп олож ен ы в виде объем н о -
цен три рованн ой кубической реш етки. П очти весь этот слой п редставляет собой
слой с твердой корой с плотностью ~ 4,3 • 10
11
ρ
0
(ρ
0
— п лотн ость обы чн ой воды ).
• С лой III. В о внутренн ей коре (III) ядра образую т такую ж е реш етку, а плотн ость
дости гает ~ 2 · 10
14
р
0
.
• С лой IV. С ледую щ ая область (IV) состои т в осн овн ом и з ней трон ов. П лотность у ее
внутрен н ей гран и ц ы достигает ~ 4,7•10
14
ρ
0
.
• С лой V. Ц ентральная о бласть (V), возм ож н о, состои т из ги п ерон ов и п и он ов; ее
свой ства ещ е м ало изучены . П лотность здесь м ож ет достигать ~ 10
15
ρ
0
·
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
217
217
Р и с. 2.5. С еч ен и е н ей тр он н ой зв езды
С ечени е нейтрон н ой звезды м ассой 1,4 M
⊙
и ради усом 16 км
О гром н ая п лотность вещ ества в н ей тронн ой звезде и отличает тот п редел
состояний сверхп лотного вещ ества, о которы х м ы м ож ем уверенн о рассуж дать,
опи раясь на сегодн яш н и й уровен ь н аш их ф и зи ческих знан и й . И все ж е хочется
сп роси ть: а что будет, если п ри взры ве очен ь м асси вн ой звезды со хран и тся остаток
м ассой больш е 3 M
⊙
? И з при веден н ого анали за следует, что такой остаток н е м ож ет
сущ ествовать в ф орм е устой чивой н ейтрон н ой звезды . Я дро в этом случае долж н о
сж и м аться дальш е, дости гая ещ е больш и х плотн остей, чем в ней тронной звезде. Н о
м ож ет ли вещ ество п ри таки х плотн остях эф ф екти вн о противостоять си лам
тяготени я? П оп ы тка ответи ть на этот вопрос уводи т н ас за пределы соврем ен н ой
ф и зи ки сверхп лотн ого вещ ества. Е сли ж е счи тать, что и звестн ы е н ам ф и зи чески е
закон ы остаю тся в силе, то ответ будет отри ц ательны м . В этом случае ядро -остаток
претерпевает гравитационны й коллап с и становится черн ой ды рой.
Н о верн ем ся к н ейтрон н ы м звездам . В озм ож н ость сущ ествовани я ней трон н ы х
звезд бы ла предсказан а ещ е в 30-х гг. Л . Д . Л андау, а такж е Р . О пп енгейм ер ом и X.
С н айдером . С вязь н ейтрон н ы х звезд со сверхновы м и и и х м есто в общ ей схем е
эволю ц и и звезд п роясн и лись только в 60-х гг.
К счастью , неож иданное откры тие п ульсаров в 1967 г. п ом огло астрон ом ам .
С ейчас уж е н е вы зы вает сом н ени й , что пульсары — это не что иное, как
вращ аю щ иеся н ам агн и ченн ы е н ейтрон н ы е звезды .
(Д аж е н али чи е возм ож н ы х (п ока ещ е неизвестн ы х) си л не м ож ет п ри вести к
остановке коллапса звезды больш ой м ассы .)
Н екоторы е удивительн ы е свой ства первого п ульсара, оказалось, при сущ и и всем
остальн ы м .
• Во-первы х, период излучени я п ульсара для астрон ом и ческого объекта очен ь м ал
(п орядка 1 с). Н аи м еньш ий известны й период составляет 0,033 с — это пери од
пульсара в К рабови дн ой тум ан н ости.
• Во-вторы х, периоды пульсаров п орази тельно стаби льны : и х м ож н о определ и ть с
огром ной точн остью .
О дн ако стабильность пери ода пульсара сохран яется лиш ь на протяж ен и и
сравни тельно н ебольш их пром еж утков врем ен и . Е сли н аблю дать п ульсары в течение
дли-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
218
218
тельного пери ода врем ен и , то у больш и н ства и з н и х обн аруж и вается м едленно е
вековое увели чен и е пери ода пульсаци й . Х арактерн ое отн оси тельн ое увеличен и е
пери ода составляет 10
-15
. Э то и есть характерн ы й м асш таб врем ен и ж и зни пульсара
— 10
7
и 10
8
лет (10-100 м лн лет).
П лотности ρ, больш е чем в 10
7
раз превосходящ и е п лотн ость обы чной воды ,
характерн ы для вещ ества в белы х карли ках или во внеш ни х слоях н ей трон н ы х звезд.
Т аки м образом , н али чи е пульсаров м ож н о рассм атри вать как доказательство
сущ ествовани я ней трон н ы х звезд.
С вою эн ергию вращ ен и я нейтрон н ая звезда черпает из запасов гравитац и он н ой
энерги и сж им аю щ егося ядра, вращ аясь со скоростью н есколько оборотов в секун ду.
П оле тяготен и я н ей трон н ой звезды достаточн о вели ко, чтобы ей не дать расп асться
от такого бы строго вращ ени я. М ен ее п лотн ая звезда, даж е белы й карли к, разлетелась
бы н а куски , если бы вращ алась с такой скоростью .
В п рочем , чтобы создать им пульсн ое излучение одн ого только вращ ени я
недостаточно. Н еобходим о ещ е н али чи е м агн и тного поля. И м п ульсное и злучен и е
пульсара объясн яется:
1) вращ ен и ем нейтрон н ой звезды ;
2) наличием м агн и тного поля.
С огласно теори и , вп ервы е вы двинутой Т . Г олдом в 1968 г., ради ои злучен и е
возни кает в атм осф ере пульсара, состоящ ей и з электрически заряж енны х частиц.
Н есм отря н а очень си льное п оле тяготени я, эти части ц ы м огут «плавать» н ад
поверхностью пульсара, потом у что от п аден и я и х удерж и вает сильное м агн и тное
поле, которое в 10
12
раз больш е, чем м агнитн ое поле н а п оверхн ости Зем ли.
В ращ аясь, п ульсар увлекает за собой и эту атм осф еру. Ч ем дальш е находятся
части ц ы от оси вращ ени я, тем вы ш е их лин ейн ая скорость — точн о так ж е, как в
карусели, где ее вн еш ни е части дви ж утся бы стрее, чем внутренн и е.
П оэтом у п ри достаточн о больш и х расстояниях от оси вращ ени я п ульсара
заряж ен н ы е части ц ы дви ж утся со скоростям и, близким и к скорости света. И м ен н о
эти частицы , движ ущ иеся с околосветовой скоростью , и излучаю т ради оволны .
Из-за торм ож ени я м агн и тны м полем вращ ени е пульсара зам едляется.
М агнитн ы е си ловы е линии как бы нам аты ваю тся вокруг вращ аю щ ей ся ней трон н ой
звезды , соп роти вляясь дальнейш ем у закручи вани ю . В результате п ери од пу льсаций
растет. И если п он ачалу пульсар вращ ается очен ь бы стро, то со врем ен ем , теряя
скорость вращ ени я, он ф акти чески перестает бы ть п ульсаром . В рем я, в течен и е
которого это происходи т, зависит, конечн о, от м агн и тного п оля пульсара, но для всех
разум н ы х м оделей он о леж ит в и н тервале п ри м ерн о 10
7
-10
8
лет. (О бщ ее число
пульсаров в н аш ей Г алакти ке составляет около 2 · 10
5
, т. е. 200 000. В средн ем в
столети е рож даю тся 2-3 пульсара — это приблизи тельно совп адает с частотой
всп ы ш ек сверхн овы х в Г алакти ке.)
Н али чи е п ульсара в К рабовидн ой тум анн ости п ом огает объясн и ть и другое
загадочн ое явлен и е: К рабови дн ая тум анн ость и злучает радиоволны , рен тген овские,
гам м а-, а такж е косм ически е лучи . Н о откуда он а черп ает свою эн ерги ю ? Е два ли
м ож н о ож идать, что взры в сверхн овой, наблю давш ийся в 1054 г., сп устя девять
столети й п оддерж и вает активность тум ан н ости . Д ругое дело — п ульсар: благодаря
обш и рн ы м зап асам гравитац и он н ой эн ерги и , он вполн е м ож ет п и тать эту акти вн ость.
О ц енки п оказы ваю т, что ней трон н ая звезда в К рабовидн ой тум ан н ости
вследствие зам едлен и я своего вращ ен и я каж дую секунду теряет около 3 · 10
31
Дж
энерги и .
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
219
219
Э та вели чи н а в 10 раз п ревосходи т общ ую м ощ ность и злучени я тум анности во всем
диап азон е электром агнитн ого сп ектра (радио, види м ом , рен тген овском и други х
диап азон ах). О стальная часть энерги и уноси тся от звезды косм ическим и лучам и.
К аким образом вращ аю щ ееся тело м ож ет резко увеличить свою угловую
скорость? Ф игури ст н а льду и зм еняет скорость своего вращ ен и я, разводя руки в
сторон ы или при ж им ая их к телу. В п ервом случае увели чи вается м ом ен т инерц и и
ф и гуриста и соответственн о ум ен ьш ается его угловая скорость, во втором —
наоборот. Е сли н а поверхн ости пульсара п роисходит какое-то п ерерасп ределен и е
вещ ества, при водящ ее к ум ен ьш ени ю его м ом ен та ин ерци и , то угловая скорость
пульсара растет, а п ери од ум еньш ается. Ч тобы «сбой » бы л резким ,
перераспределени е вещ ества долж но прои сходи ть очень бы стро. П редп олагаю т, что
последн ее м ож ет случи ться п ри звездот рясении (п одобно зем летрясен и ю н а Зем ле).
В ы сокая точн ость, с которой п овторяю тся и м п ульсы пульсаров, п озволила
астрон ом ам провери ть некоторы е тон кие эф ф екты общ ей теори и отн осительн ости .
§2. Э к стр ем ал ь н ы е состоя н и я в ещ еств а (Э С В )
В своей работе Д . А . К и рж н и ц дает следую щ ее оп ределени е экстрем альны х
состояний вещ ества:
«С остоян и я вещ ества с н еобы чн о вы сокой кон ц ентрац и ей эн ерги ей
(экстрем альны е состояни я вещ ества, Э С В ) и здавна п ри влекали к себе больш ое
вним ани е учен ы х и п ракти ков. Э то связано п реж де всего с н ем алы м
сам остоятельны м ин тересом , которы й вы зы ваю т Э С В : ф изика Э С В , вклю чаю щ ая в
себя ф и зи ку вы соких давлений и ф и зи ку вы соких тем ператур, составляет
сущ ествен н ую часть той области н ауки, объектом которой служ и т сам о вещ ество, —
ф и зи ки конден сированн ы х сред, ф и зики плазм ы , ядерной ф изики и т. п. Д ругая, не
м ен ее важ н ая, при чи н а состои т в том , что ф и зи ка Э С В служ и т необходим ы м
элем ентом ф изического ф ун дам ен та геоф и зи ки и п лан етологии , астроф изики и
косм ологи и , м н оги х прикладн ы х наук» (Э н ц и клопедия. С оврем ен н ое естествознани е.
Т ом 4. Ф изика элем ен тарн ы х части ц . А строф и зика. М ., 2000. С . 81).
Э кстрем альны е состояни я вещ ества возн и каю т п ри экстрем альны х вн еш ни х
условиях. «Э С В возни каю т под дей ствием экстрем альн ы х вн еш н и х услови й , сильно
отличаю щ ихся от норм альны х. К их чи слу относятся преж де всего вы сокие давлени е
и тем пература, — отм ечает Д . А . К и рж н и ц . — В последн и е годы к экстрем альны м
внеш ни м условиям отн осят и си льны е м агн и тны е п оля. И м ен н о экстрем альн ы е
условия обеспечи ваю т источн и к энерги и , п ередача которой вещ еству сущ ественно
повы ш ает его п лотн ость эн ергии. В п ри роде таки е услови я возн и каю т п од дей стви ем
си л тяготени я; искусственны м образом их создаю т в сп ец и альн ы х п ри борах и
установках» (Т ам ж е).
В своей работе Д . А . К ирж н и ц дает оп ределен и е вещ ества, отм ечая, что
«при дадим ем у м акси м ально ш ирокое толкован и е, п оним ан и я под вещ еством лю бую
прот яж енную (и п оэтом у ж е чувствительн ую к ф орм е и разм ерам ) сист ем у част иц и
полей, которая служ ит „строительны м м атери алом " ф и зи чески х объектов. Т акое
определен и е охваты вает все известн ы е ф орм ы вещ ества: обы чное состоян и е,
состояни е и з электронов и ядер; электронн о -ды рочная ж идкость; адрон ное ядерн ое и
ней трон н ое вещ ество; ионн ы й конден сат, кварк-глю он н ая п лазм а, ф отон н ая систем а
(н апри м ер, черн отельное излучен и е); систем а электрон н о -п ози тронн ы х пар. О собой
разн овидностью вещ ества д олж ен счи таться ф и зи чески й вакуум — состояни е, в
котором отсутствую т реальн ы е части ц ы » (С . 86).
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
220
220
П од вещ еством пони м аю тся все нам и звестны е ф орм ы вещ ества:
1) все элем ентарн ы е части ц ы (ф ун дам ен тальн ы е и элем ен тарны е), ядра, из которы х
образую тся атом ы ;
2) ф отон н ая систем а (чернотельное и злучен и е);
3) кварк-глю онн ая п лазм а;
4) систем а электронн о -позитрон н ы х пар;
5) ф и зи чески й вакуум ;
6) адрон н ое ядерн ое и н ей трон н ое вещ ество.
П ри этом давлен и е 1 000 атм . и ли тем п ература 1 000 К , которы е в обы чн ы х
зем н ы х бы товы х услови ях, безусловн о, далеки от н орм альны х, тем не м ен ее, не
отн осятся к экстрем альны м : экстрем альны м и считаю тся экстрем ально сверхвы сокое
давлени е в м и ллиарды атм осф ер или сверхвы сокая тем п ература в м и ллиарды
м и ллиардов градусов.
П ри этом в образовани и и ф орм ировани и круп н ом асш табн ы х косм ических
объектов (звезд, галакти к и т. д.) сущ ествен н ую роль и грает н е только сила
тяготени я, н о и м алы е силы тяготения элем ен тарн ы х части ц , которы е в сум м е
превращ аю тся в м ощ н ы й ф актор строени я и структури рован и я косм и ческих
крупн ом асш табны х объектов. «В естественн ы х услови ях Э С В , — как отм ечает Д . А .
К и рж н и ц , — возни каю т п рям о или косвен н о благодаря дей ствию си л тяготени я.
И спользуя язы к электродин ам ики , м ож но сказать, что грави таци он н ое
взаи м одействие является уникальны м сочетани ем свой ств дальн одействия,
отсутстви я зарядов (двух знаков и п ритяж ени я одн оим енн ы х зарядов). В се это
сп особствует образовани ю м асси вны х тел, в которы е н и чтож н о м алы е си лы
тяготени я элем ен тарн ы х частиц сум м ирую тся и вы раж аю тся в косм ически х
м асш табах в м ощ ны й определяю щ и й ф актор. И м енн о эти си лы п орож даю т вы сокую
плотность вещ ества небесн ы х тел и соответствен н о вы сокие давлени я в и х недрах.
О н и ж е служ ат косвенн ы м и сточни ком вы соких тем ператур, возн и каю щ и х
вследствие сж атия вещ ества и , главн ое, благодаря со здан и ю условий для „заж иган и я"
экзотерм и чески х (и дущ их с вы делени ем эн ерги и ) ядерн ы х реакци й в звездах» (С .
87).
Т аки м образом , ней трон н ое вещ ество, содерж ащ ееся в сердцеви н е ней трон н ой
звезды , — это сверхплотное вещ ество, образованн ое и создан н ое экстрем альны м и
внеш ни м и условиям и сверхвы соких давлен и я и тем пературы : сверхплотное
ней трон н ое вещ ество — это экстрем альное состояни е вещ ества, образован н ое в
результате дей ствия силы экстрем ального грави таци он н ого сж ати я и м алы х сил
тяготени я элем ентарны х части ц , в своей сум м арной совокуп н ости п редставляю щ их
м ощ н ы й определяю щ и й ф актор сж ати я. В этой связи н еобходи м о отм етить
следую щ ие м ом ен ты :
1. С верхвы сокое давлен и е как следствие дей стви я силы экстрем ального
грави тационного сж ати я и м алы х сил тяготен и я элем ен тар ны х части ц , в своей
сум м арной совокуп н ости вы ступ аю щ и х м ощ н ы м оп ределяю щ им ф актором
сж ати я, — экстрем альное вн еш н ее услови е образован и я сверхп лотного
ней трон н ого вещ ества, содерж ащ егося в сердцевине н ейтронны х звезд: им ен н о
экстрем альны е внеш н и е услови я со здаю т вы рож ден н ое нейтрон н ое вещ ество как
экстрем альное состоян и е вещ ества, способное вращ аться с околосветовой
скоростью и н е рассы п аться на отдельн ы е куски .