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.
221
221
2. С верхвы сокие тем пературы в м илли арды м илли ардов градусов служ ат
экстрем альны м внеш н и м услови ем разруш ени я строен и я и структуры вещ ества,
состоящ его из ком плексов — м олекул, атом ов, ядер, элем ентарны х частиц,
которы е рассы п аю тся на кварки и глю оны , образую щ ие кварк -глю он н ую плазм у.
3. С верхвы сокое давлен и е и сверхвы сокая тем пература как экстрем альны е вн еш н ие
условия являю тся преж де всего п ричин ой катастроф и ческого ум еньш ени я
простран ствен н о-геом етрических свойств ядра-остатка цен тральн ой области
взры ва сверхновой звезды .
Значит, сверхвы сокое давлени е и сверхвы сокая тем пература, обусловлен н ы е
си лой экстрем ального грави таци он н ого сж ати я и м алы м и силам и тяготен и я
элем ентарн ы х частиц, в своей сум м арн ой совокуп н ости представляю щ им и м ощ ны й
определяю щ ий ф актор сж атия, являю тся экстрем альны м и внеш н и м и услови ям и
катастроф ического ум ен ьш ени я простран ства и его геом етри чески х свой ств (ради ус,
объем , разм ер, дли н а, ш ирин а, вы сота и т. д.) сж им аю щ егося вещ ества звезды : все
эти три экстрем альны х процесса образовани я сверхп лотн ого нейтрон н ого вещ ества в
сердц евине нейтрон н ой звезды — сверхвы сокое давление, сверхвы сок ая тем п ература
и катастроф и ческое ум ен ьш ени е п ространственно -геом етри чески х свойств, т. е.
превращ ения больш ого в м алое, — един оврем ен н ы е процессы . Б ез
катастроф ического разруш ен и я — м олекул, атом ов, ядер, элем ен тарны х части ц ,
распадаю щ и хся и рассы п аю щ ихся на кварки и глю он ы — н евозм ож н о образован и е
экстрем ального сверхп лотн ого вещ ества как н ейтрон н ого вещ ества, п лотность
которого сои зм ери м а с п лотностью ядерн ой м атери и — 10
15
г/см
3
. В м есте с тем сам о
это образовани е сверхплотн ого вещ ества — н ей трон н ого вещ ества в ж и дкой сф ере
как вы рож ден н ого нейтрон н ого газа, проти водействую щ его силе дальнейш его
грави тационного сж ати я, — абсолю тно нем ы сли м о без катастроф и ческого
сокращ ен и я пространственн о -геом етри чески х свойств как превращ ен и я Б ольш ого в
м алое, в котором содерж и тся н овая вели кая плотн ость нейтрон н ого вещ ества.
В этом м ы ви ди м проявлен и е великой ф и лософ ской три ады м атери и ,
простран ства-врем ен и : она м ож ет реколлап сировать, т. е. расш и ряться, но м ож ет
коллап сировать, т. е. сж аться до м алого, в котором м ож ет сод ерж аться В ели кое.
И так, п ульсар — ком п актн ы й объект, вращ аю щ и й ся и нам агничен н ы й, —
пульсаци я строго п ери оди чн а и коротка. С корость вращ ен и я околосветовая, поэтом у
м агнитн ое п оле торм озит. С и льное п оле тяготени я сдерж ивает пульсар от
разруш ени я и распада. Э н ерги ю вращ ен и я нейтрон н ая звезда п олучает из запасов
грави тационного и злучения в виде волн .
Н ачи н ая с давлен и я порядка 10
14
эВ и в п лотности 10
9
г/см , в вещ естве начи н аю т
протекать ядерны е п роц ессы , вы зван н ы е и м енн о экстрем альны м характером
условий. П ервы й и н аи более важ н ы й и з н и х — н ей трон и заци я вещ ества, т. е. захват
ядром электрона с превращ ен и ем протон а ядра в н ейтрон :
Д ля н ейтрон и зац и и н еобходи м а достаточно больш ая эн ерги я электрон а (порядка
1 М эВ ), которая сам а собой возн и кает в сильн о сж атом вещ естве, которое м ож ет
рассм атри ваться как своего рода ускори тель электрон ов. С и льно сж атое вещ ество
как ускоритель электронов сам о собой порож дает эн ерги ю для захвата ядром
электрон а. В сам ом деле, с ростом степен и сж ати я вещ ества расстояни е м еж ду
части ц ам 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.
222
222
ум ен ьш ается и, согласн о соотн ош ен и ю н еоп ределен н остей, растет их им п ульс, а
значит, и кин ети ческая эн ерги я.
П ервы й этап н ейтрон и заци и — это захват относительн о н ебольш ого чи сла
электрон ов каж ды м и з ядер и образован ие нейтрон н о -и збы точн ы х ядер, п ри чем рост
давлени я сопровож дается увели чени ем избы тка числа н ейтрон ов н ад чи слом
протон ов.
С ледую щ ий этап н ачи н ается с м ом ен та, когда перенасы щ енное н ей трон ам и ядро
уж е н е в состоян и и и х удерж и вать, и тогда образуется сам остоятельная н ей трон н ая
ком п он ента вещ ества, сосущ ествую щ ая с электронам и и ядрам и .
Т акая п оследовательность состояний реали зуется в коре п ульсара п ри дви ж ен и и
от его поверхности к вн утрен н ей грани ц е коры . Э той грани ц е отвечает состояни е,
когда и н ейтрон н о-избы точн ы е ядра, в свою очередь, стано вятся н еустой чи вы м и
(н естабильны м и ) и рассы п аю тся н а составляю щ и е и х н уклоны . Т ак возн и кает
ней трон н ая ж идкость (нейтрон н ое вещ ество), являю щ аяся вещ еством сердцевины
пульсара. Зам ечательны м образом н ейтрон н ая ж идкость обладает свой ством
сверхтекучести , и это п роявляется в ряде н аблю дательны х ф актов.
П ри дальней ш ем увели чени и давлен и я, когда плотн ость станови тся чуть больш е
ядерной (3 · 10
14
г/см
3
), прои сходи т явлени е, носящ ее названи е пионной конденсации.
С и стем а нуклон ов из-за сильного взаим одей стви я их д руг с другом и с п и он ам и
становится н еустой чи вой отн осительн о генерац и и м акроскопи ческой п и он н ой
волны , которая назы вается п и он н ы м конденсатом и образует в силу своей
м акроскоп и чн ости сам остоятельную ком понен ту вещ ества.
П ри ещ е более вы соких сж атиях н укло н ы и пи он ы рассы паю тся н а
составляю щ и е их кварки и образую т вм есте с глю он ам и н овую ф орм у вещ ества —
кварк-глю онную плазм у.
К акая ф и лософ ская идея в своей работе ин тересует Д . А . К ирж н и ц а?
Во-первы х, Э С В не сам о по себе сущ ествует, а образуется в зависим ости от
экстрем альны х ф изически х услови й : таким и условиям и, как отм ечает Д . А . К ирж н и ц ,
являю тся экстрем ально вы сокие давление и тем пература, а такж е сверхсильное
м агнитн ое п оле.
Во-вторы х, при экстрем ально вы соких давлен и и (т. е. силе сж атия (тяготени я)) и
тем пературе (м илли арды м илли ардов градусов) понятие вещ ества стан овится
отн оси тельн ы м : экстрем ально вы сокое давлен и е катастроф ически ум еньш ает
простран ствен н о-геом етри чески й разм ер и объем вещ ества до м алого, а
сверхвы сокая экстрем альная тем пература разруш ает всю внутренн ю ю структуру
вещ ества, в том числе элем ентарны е части ц ы , которы е рассы п аю тся н а кварки и
глю оны .
П роблем а ф и лософ и и — бескон ечн о Б ольш ое и бесконечно м алое: бескон ечн о
Б ольш ое м гн овен н о превращ ается в бескон ечн о м алое. Б ольш ое и м алое неразры вно
связан ы . М алы м станови тся п ространство -врем я, н о в сам ом этом м алом содерж ится
бесконечн о больш ое, т. е. п лотн ость вещ ества 10
15
г/см
3
, равная плотности ядерн ой
м атерии. Б ы ти е м атерии исчезает и появляется н овое бы ти е, а ф и лософ ская м атери я
при всей трансф орм ац и и бы ти я в новое бы ти е остается и сам осохраняется.
Т аки м образом , в гран диозном проц ессе взры ва сверхновой и образован и я в
результате этого взры ва ней трон н ой звезды , в сердц евине которой содерж и тся
вы рож денн ое ней трон н ое вещ ество, п лотн ость кото рого сои зм ери м а с п лотн остью
ядерной м атери и 10 г/см (т. е. три ллион тон н в одн ом кубическом санти м етре), м ы
м ож ем наблю дать, что во В селенн ой все п рои сходи т по законам н ели н ейн ой
динам ики через би ф уркац и ю как точку н еустой чи вости, катастроф у, которая
порож дает хаос (хаотизац и ю ), и з которого созидается (ин н оваци я) н овое —
ней трон н ая звезда.
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.
223
223
§3. В и ды п р оя в л ен и я н ей тр он н ы х звезд а. Б ар стер ы
Ч ерез восем ь лет (1975 г.) п осле откры ти я п ервого пульсара кем бридж ской
групп ой п од руководством Э . Х ью и ш а (1967 г.) груп п а советских астроф и зиков из
И н сти тута косм ических и сследован и й А Н Р Ф сообщ и ла о наблю ден и и коротких и
м ощ н ы х всплесков косм и ческого рентген овского и злучени я. В скоре и ам ери кан ские
астроф изики из С м итсон и анской астроф изи ческой обсерватори и сообщ или о
наблю дени и в цен тральны х частях наш ей галакти ки м ощ н ы х всплесков
косм ического рен тген овского излучения.
П оследую щ ие и сследовани я эти х коротких и м ощ н ы х всп лесков п оказали, что у
них отсутствовала соверш ен н о какая-то п ериоди чн ость, в отличие от п ульсаров: у
пульсаров строгая и стаби льная регулярность или пери оди чность излучен и я
им п ульсов, а у н ового ф ен ом ена всп ы ш ки бы ли коротким и, до десяти секунд, а
пром еж уток м еж ду вспы ш кам и составляли н есколько часов, а и н огда и н есколько
дней . Э тот загадочн ы й новы й ф ен ом ен с ап ери оди чны м и вспы ш кам и учены е
сп еци али сты н азвали барстером (от английского слова burst — взры в, вспы ш ка):
барстер — всп ы хи ваю щ ая звезда.
П редстоял дли н н ы й путь разгадки загадочн ого ф еном ена барстера: откуда идут
к н ам эти вспы ш ки; что является источником и причин ой этих странн ы х всп ы ш ек
рен тген овского и злучен и я; каки е ф и зи чески е п роц ессы вы зы ваю т эти короткие и
м ощ н ы е всп ы ш ки, наблю даем ы е астроном ам и разн ы х стран, и т. д. О дним словом ,
предстояла задача разгадать соверш енн о нам н езнаком ы й ф ен ом ен: барстер бы л
таи н ствен н ой загадкой, вы зы ваю щ ей огром ны й и н теллектуальны й и н терес м и ра
астроф изиков и косм ологов.
П реж де всего нуж н о бы ло знать, откуда п оступ аю т эти короткие и м ощ н ы е
всп лески рентгеновского излучен и я. О казалось, больш инство барстеров н аход и тся и
сосредоточено в ш аровы х скоп лен и ях в ц ен тральн ы х частях н аш ей галакти ки, где
обы чн о чащ е всего встречаю тся двойны е звездн ы е систем ы : это расстояни е
составляет d ≈ 10 кпк = 3• 10
20
м , как п и ш ет известн ы й учен ы й специ алист
косм ологи и и теорети ческой астроф и зи ки А . Д . Ч ерн и н в своей зам ечательн ой, по
ясности, доступ н ости и глуби н е рассм отрени я ф и зических и дей, концеп ц и й и
м оделей, кн и ге «Звезды и ф и зика» (М ., 2004. С . 37).
П осле оп ределен и я типичного расстоян и я барстера от н ас до ц ен тра галакти ки,
естественно, стала задача узнать светим ость барстера, т. е. эн ергию , излучаем ую в
еди н и ц у врем ен и во всех н ап равлени ях всей п оверхн остью барстера: излучаю щ ая
поверхность барстера представляет собой разогретое тело с тем пературой в
несколько десятков м и ллионов гр адусов. «Э то п ри м ерн о в 10 ты сяч раз больш е
тем пературы п оверхн ости С олнца, — пи ш ет А . Д . Ч ерн и н в вы ш еуп ом янутой кни ге,
— и вдвое больш е тем пературы солнечн ы х недр» (С . 41).
И так, учены е специ али сты узнали :
1) ти п и чн ое расстояние барстера, н аходящ егося в ш ар овы х скоп лен иях в ц ен тре
наш ей галакти ки;
2) светим ость барстера, т. е. энерги ю , излучаем ую в единицу врем ен и во всех
нап равлени ях: ≈ 10
31
В т;
3) тем п ературу излучаю щ его тела: T ≈ 3 · 10
7
К.
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.
224
224
Зная три парам етра барстера — ти п и чн ое его расстоян и е, свети м ость и
тем пературу излучаю щ ей поверхн ости, учены е-сп ец и али сты разгадали радиус
излучаю щ ей поверхн ости барстера:
R ≈ 10
4
м = 10 км .
Т акой ж е ради ус и м еет н ейтрон н ая звезда, м асса которой сравним а с м ассой
С олнца (М = 10
30
кг), а ради ус ее в 100 ты сяч раз м еньш е ради уса наш его С олнц а:
средн яя п лотность н ейтронной звезды сравни м а с плотн остью вещ ества вн утри
атом ны х ядер (ρ ≈ 10
18
кг/м
3
, или ρ ≈ 10
15
г/см
3
). И сходя из эти х данн ы х, учен ы е
сп еци али сты установи ли ради ус н ейтрон н ой звезды , он оказался тож дественн ы м
ради усу барстера (точн ее, ради ус барстера оказался тож дественн ы м ради усу
ней трон н ой звезды ):
R ≈ 10
4
м = 10 км .
Т ак бы ла разгадан а первая тай н а барстера: барстер — нейтрон н ая звезда.
П ульсар — такж е ней трон н ая звезда. О днако барстер и пульсар, хотя тот и другой
являю тся нейтрон н ы м и звездам и, по свои м свой ствам п роявлени я — качественн о
различны е объекты : у п ульсара стаби льная п ериоди чн ость п ульсац и и и чрезм ерно
м алы й пери од излучени я им п ульса, а барстер как н ейтрон н ая звезда обладает
нерегулярны м и вспы ш кам и , которы е н епери оди чн ы . К ак м ы только что отм ети ли
вы ш е, длительн ость вспы ш ки барстера п родолж ается около 10 с, а пром еж уток
м еж ду всп ы ш кам и м ож ет длиться от н ескольких часов до н ескольких дней .
И все ж е учен ы м -сп еци али стам на осн овани и глубокого ан али за строги х
наблю даем ы х дан н ы х (ти п и чн ое расстояние до барстера в ш аровы х скоп лен и ях в
цен тральн ы х областях галакти ки, свети м ость и тем пература на п оверхн ости
барстера, дости гаю щ ая нескольких десятков м и ллионов градусов) удалось
определить разм ер барстера, равн ы й R ≈ 10 000 м = 10 км , и тем сам ы м
иден тиф и ц и ровать барстер как ком п актн ы й косм ически й объект с ней трон н ой
звездой как сам ы м ком пактн ы м косм ически м объектом п осле белы х карликов,
разм ер которы х п ревосходи т в ты сячу раз разм ер нейтронной звезды .
Н еобходи м о здесь останови ться н а сам ом п он яти и ком п актного объекта, ибо
необходим о глубокое осм ы слени е его н аучн о -ф и зи ческого содерж ан и я, чтобы четко
и ясно представить его ф и лософ ский см ы сл и значи м ость: ком пактны й косм и чески й
объект — это не просто м ален ький по разм еру объ ект, сущ ествую щ ий в н аш ей
В селенной.
К ком пактны м объектам относятся такие косм и чески е объекты , как белы е
карли ки, п ульсары как нейтрон н ы е звезды , барстеры как нейтрон н ы е звезды ,
м ассовое откры ти е которы х произош ло в 70-е гг. Х Х столетия; безусловно, и черн ы е
ды ры , в достоверн ом (т. е. объективн ом ) сущ ествовании которы х уж е н е
сом н еваю тся н и астроф и зи ки , н и косм ологи, ни ф и зики частиц (и, кон ечн о,
ф и лософ ы , зан и м аю щ и еся серьезн о проблем ой черн ы х ды р), а такж е все ещ е
остаю щ иеся сам ы м и загадочн ы м и , таи н ствен ны м и ф еном енам и — квазары ...
В се эти вы ш е нам и п еречи сленны е ф еном ен ы , как н аблю даем ы е
неп осредственн о или опосредованн о (черн ы е ды ры ), отн осятся к ком пактн ы м
косм ически м объектам , которы е характери зую тся п реж де всего экстрем альн ы м и
свой ствам и вещ ества (лу чш е — м атерии ): к экстрем альны м свой ствам вещ ества (т. е.
м атерии) относи тся его свойство бы ть п лотн ы м (или сверхплотны м у ней трон н ы х
звезд, или бесконечн о плотн ы м в черн ы х ды рах).
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.
225
225
Т аки м образом , под ком пактны м и объектам и в соврем енной косм ологи и и
астроф и зике (начало револю ционном у п роры ву в которы х п олож или откры ти я
квазаров, п ульсаров и теорети ческое п редсказан и е сущ ествовани я черн ы х ды р)
поним аю т ф еном ен м ален ького разм ера, в котором сконц ентри ровано п лотн ое
(сверхплотное, а такж е бескон ечн о п лотн ое) вещ ество.
М ы долж ны здесь, в ф и лософ ском ракурсе, отм ети ть, что сам о понятие
«плотн ое» при н ц и п и ально отли чается от понятия п лотн ого в общ еп ри н ятом см ы сле
как в обы денн ой ж и зн и , так и в н екоторы х областях науки и техни ки.
К ак м ы уж е отм ети ли , п лотн ость вещ ества в белы х карликах дости гает 10
9
кг/м
2
,
т. е. м и ллиард ки лограм м ов в одном кубическом м етре, или 1 000 тон н в одном
куби ческом санти м етре (для перевозки такого вещ ества в белы х карли ках
потребуется 100 десяти тон н ы х м аш и н). А сверхплотн ое вещ ество в ней трон н ы х
звездах составляет 9•10
18
кг/м
3
, т.е. оди н куби чески й сан тим етр этого сверхп лотного
вещ ества веси т более 9 три лли он ов тон н .
П лотность вещ ества в черны х ды рах составляет бесконечн ость: в точке
си н гулярности скон ц ен три рована и коллапсирована бескон ечн ая п лотн ость вещ ества
(лучш е — м атери и ).
Т аки м образом , п од ком п актн ы м косм ическим объектом преж де всего м ы
долж ны поним ать плотн ость вещ ества, сп рессованн ого в м ален ьком косм ическом
объекте (в белы х карли ках, пульсарах, барстерах, ней трон н ы х звездах, ч ерн ы х ды рах,
а такж е в таин ствен н ы х квазарах, свети м ость одного из которы х сравни м а со
светим остью ц елой галакти ки, а эта светим ость исходи т из объем а не больш е
С олнечн ой си стем ы ). П оэтом у м ы долж ны отказаться от н аш и х обы денн ы х
представлен ий о вещ ах, когд а п ереходи м к объектам и зучен и я в соврем ен н ой
косм ологи и и астроф и зике, которы е обладаю т экстрем альны м и свой ствам и вещ ества:
м ы долж н ы оп ерировать таким и чи сленн ы м и вели чи н ам и, как м и ллиарды ,
три ллион ы грам м ов в одн ом кубическом сан тим етре.
М ы такж е ви ди м , что, как в ф и зи ке частиц , вели кое (гран диозное, больш ое,
необъятн ое и т. д.) «сож ительствует» с м алы м (м ален ьки м , м алю сеньким и т. д.):
вели кое превращ ается в м алое и , наоборот, м алое м ож ет стать больш и м , вели ким .
Э кстрем альны е свой ства вещ ества (плотное и ли сверхплотное вещ ество) н е
являю тся изначально дан н ы м и свой ствам и : все сущ ее во В селенн ой — результат ее
эволю ц и и п осле Б ольш ого взры ва син гулярн ости. Н ам и рассм атри ваем ы е
косм ически е объекты такж е не являю тся и зн ачально данн ы м и , а являю тся
следстви ям и (результатам и ) эволю ци и звездного м ира: ком пактны е объекты с
экстрем альны м и свой ствам и вещ ества консти туи ровали сь в экстрем альны х
астроф изических услови ях. У слови я (объекти вн о -астроф изически е) создаю т
экстрем альны е свой ства вещ ества в ком п актн ы х объектах, точн ее: эти ком п актн ы е
объекты ф орм ирую тся в экстрем альны х астроф и зических услови ях.
П ервы й п ульсар, как м ы пи сали уж е, бы л откры т соверш енн о случайн о
аспи рантом К авен ди ш ской лаборатори и К ем бридж ского уни верси тета Д ж осели н и
Б елл под руководством Э . Х ью иш а в ноябре 1967 г., а в ф еврале 1968 г. вы ш ла
первая публи кац и я о пульсаре как о ком п актн ом объекте со сверхп лотн ы м
вещ еством , п лотн ость которого близка к плотности ядерн ой м атери и вн утри атом ны х
ядер — 10
18
кг/м
2
, и ли трилли он тон н в кубическом сантим етре. М ассовое откры ти е
пульсаров отн осится к 70-м гг. Х Х столетия: пульсары как ком пактны е объекты со
сверхп лотн ы м вещ еством бы ли иден ти ф и ц и рован ы с сам ы м и ком п актн ы м и
астроф изическим и объектам 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.
226
226
ней трон н ы м и звездам и, разм ер которы х в 10 000 раз м еньш е р азм ера белы х
карли ков, а п лотн ость н ей трон н ы х звезд больш е п лотн ости белы х карли ков в
м и ллиард раз, т. е. трилли он тон н в куби ческом сантим етре.
Т аки м образом , откры тия пульсаров и барстеров как н ейтрон н ы х звезд
знам ен ую т револю ц ионны й п роры в в и зучен и и и и сследован и и ком пактны х объектов
со сверхплотн ы м вещ еством как экстрем альн ы м свой ством вещ ества, образую щ им ся
в экстрем альны х астроф и зических условиях, реш аю щ ей си лой которы х является сила
грави тационного сж атия и сум м арн ая сила тяготен и я элем ентарны х частиц:
м ехани зм ом проявлени я эти х сил ком би нирован н ого сж ати я являю тся вы сокие (т. е.
экстрем альны е) давлен и я и вы сокие (т. е. экстрем альны е) тем пературы . П од
дей ствием сил ком би н и рован н ого сж ати я и экстрем ального давлен и я происходит
катастроф ический п роц есс ум еньш ен и я ради уса объекта и тем сам ы м
катастроф ический рост плотности вещ ества объекта, в результате чего ф орм и руется
новы й ком п актн ы й объект — н ейтрон н ая звезда. Э то — во-п ервы х. А во-вторы х, п од
дей ствием сил ком би н и рован н ого сж ати я, п оскольку прои сходи т передача вещ еству
объекта эн ерги и , в нем прои сходи т катастроф и чески й рост и увеличите тем п ературы ,
ф ун кци я которы х и состои т в п ерестрой ке вн утрен н ей структуры звезды -объекта:
тем пература — катастроф и чески й разруш итель уп орядочен ной структуры вещ ества.
Б ез разруш и тельн ой си лы структурн ой орган и зован н ости вещ ества соверш енно
невозм ож н а перестрой ка внутрен н ей структуры вещ ества.
И так, катастроф ическое ум ен ьш ени е и сокращ ен и е разм ера объекта п од
дей ствием сил ком бинирован н ого сж ати я и давлен и я соп ровож даю тся резки м
уплотн ени ем вещ ества и повы ш ением его п лотн ости . О дн ако, чтобы вещ ество,
состоящ ее и з м олекул, атом ов, ядер и элем ентарны х части ц (электрон ы , п ротоны ,
ней трон ы и т. д.) и образую щ ее оп ределен н ую уп орядоченн ую структуру,
ум ен ьш и лось в разм ере, он о д олж н о бы ть перестроен о, т. е. порядок долж ен бы ть
см енен хаосом : только в этом случае м ож но п олучи ть н ечто новое упорядоченн ое и з
хаоса. Н о порядок, как внутрен н яя уп орядочен н ая структура вещ ества, м ож ет бы ть
дезорган и зован в хаос в том случае, если будет дости гн ута достаточн ая степ ень
тем пературы : тем пература (экстрем альная — в м илли арды м и лли ардов градусов) —
разруш и тель порядка и превращ ение его в хаос, чтобы и з этого хаоса вновь возни к
новы й п орядок.
П оэтом у п од экстрем альны м сж атием вещ ества (т. е. экстрем альны м п лотн ы м
или сверхп лотны м вещ еством ) поним аем его плотность в м и ллиарды м илли ардов (а
такж е в три ллион ы ) тонн в куби ческом сантим етре. К ак м ы ви дели , природа сам а
осущ ествляет и проделы вает все это: он а порядок сам а превращ ает в хаос и и з этого
хаоса творит сам а новы й п орядок. Ч тобы образовались такие п лотности вещ ества в
м и ллиарды (и ли три ллионы ) килограм м ов в куби ческом сан ти м етре, н еобходи м ы
им ен н о экстрем альны е астроф и зи чески е услови я, п ри которы х возм ож ны только
катастроф ические трансф орм ац и и порядка в хаос и хаоса в новы й порядок.
В звездн ой эволю ци и в целом участвую т все н ам и звестны е тип ы
взаи м одействий — Г В , С В , С Л В и Э М В . Б езусловн о, в эволю ц и и крупн ом асш табн ой
структуры В селенн ой определяю щ ую и главенствую щ ую роль играет
грави тационное взаим одействие. О дн ако это н и в коем случае н е означает, что си лы
других взаим одей ствий — С В , С Л В и Э М В сводятся к второстеп енн ой роли. Н а
сам ом деле, как м ы видели в наш ей работе, в звездной эволю ци и все четы ре си лы
взаи м одействий участвую т во взаи м осогласованн ой деятельн ости : речь идет в
дан н ом случае н е только о роли и значим ости терм оядерны х реакци й в ж и зни звезд,
но и тогда, когда он и превратили сь в «ум ерш ие» звезды — белы е карли ки и
ней трон н ы е звезды , в которы х ещ е дей стви телен закон зап рета
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.
227
227
П аули : это — закон квантовой м ехан и ки, п роти водействую щ и й си ле
грави тационного сж атия в белы х карликах и ней тронны х звездах и дальнейш ем у и х
сж ати ю .
В больш ин стве случаев барстер как ней трон н ая звезда н аходи тся в тесн ой
двойной звездн ой си стем е в п аре с види м ой обы чной звездой -ком п аньоном , м асса
которой равн а половин е или одной M
⊙
: двойная звездн ая систем а, в которой
сущ ествую т две звезды (одн а — н ейтрон н ая звезда — н евидим ая, п оскольку разм ер
ее 10 км , а другая — видим ая обы чная звезда-ком п аньон), — не редкое и ли
исклю чи тельн ое явлен и е в звездн ом м и ре. П о оценкам учены х сп еци али стов,
половин а звезд в звездн ом м ире сущ ествует в двой н ой звездн ой систем е:
сущ ествовани е звезды в двой н ой звездн ой си стем е является общ ей и х
закон ом ерн остью . (Н и ж е в осн овн ом м ы и сп о льзовали м атериал и з кни ги
зам ечательного ученого -сп еци али ста, п роф ессора Г А И Ш , М Г У А . Д . Ч ерн и н а
«Звезды и ф изика».)
К ак п и ш ет проф . А . Д . Ч ерн и н , звезды в двой н ой звездн ой систем е дви ж утся п о
зам кнуты м орби там : каж дая из них им еет зону своего вли ян и я, в пределах которой ее
тяготени е сильнее тяготени я партнера. Т акую зон у влиян и я н азы ваю т п олостью Р ош а
по им ен и ф ранцузского астроном а, изучавш его дин ам ику план ет и и х сп утн и ков.
Е стественно, что п олость Р ош а н ейтрон н ой звезды значительн о м еньш е полости
Р ош а обы чной звезды -ком пан ьона, которая м ож ет переполн ять. И в этом случае
ней трон н ая звезда свои м си льны м полем тяготени я м ож ет сры вать и, дей ствительн о,
сры вает с поверхности звезды -ком п аньона часть вещ ества: он а струей падает на
поверхность нейтрон н ой звезды , ускоряя и наби рая н ем алую кинети ческую эн ерги ю .
П ри неизбеж н ом столкн овени и с твердой кри сталлической корой п оверхн ости
ней трон н ой звезды эта кинети ческая эн ерги я п адаю щ его вещ ества п ревращ ается в
теп ло, которое н агревает, разогревает и н акаляет п оверхн о сть н ей трон н ой звезды , и ,
как всякое нагретое тело, эта раскаленн ая поверхн ость ней трон н ой звезды и злучает
электром агн и тн ы е волн ы , создаю щ ие ф оновую светим ость барстера.
Т акова теория аккрец и и , разработанн ая н аш и м и вы даю щ им ися учены м и
ф и зи кам и -теоретикам и и астроф изикам и -теоретикам и — Л . Д . Л андау и И . С .
Ш кловским . Л . Д . Л андау уж е в н ачале 30-х гг. Х Х столетия, п осле ф орм улирован и я
им теори и н ей трон и заци и и ней трон н ой звезды , п и сал, что частиц а м еж звездной
звезды , поп адая в сильное поле тяготени я н ейтрон н ой звезды , долж н а излучать
электром агн и тн ы е волн ы .
Т еори ю аккреци и , т. е. захвата си льны м гравитаци он н ы м полем вещ ества,
разработал дальш е в начале 60-х гг. п рош лого столети я зам ечательн ы й учены й
астроф изик и ф и лософ -м ы слитель И . С . Ш кловский : им ен н о он теоретически
предсказал, что нейтрон н ая звезда н аходи тся в п аре с види м ой обы чн ой звездой -
ком п аньоном в тесной двой н ой звездной си стем е, в которой нейтрон н ая звезда
является аккретором , а звезда-ком паньон — донором .
Д альнейш ие и сследовани я звездного м ира и н аблю дени я дан н ы х о н ейтрон н ы х
звездах полностью и ц ели ком , как отм ечает проф . А . Д . Ч ерн и н , п одтверди ли
теорети чески е п редсказан и я н аш и х зам ечательн ы х ф изика-теоретика Л . Д . Л андау и
астроф изика-теоретика И . С . Ш кловского. (Я , будучи м олоды м , не раз слуш ал
вы ступлени я И . С . Ш кловского. У м еня создался образ о нем как вели ком учен ом -
новаторе, м ы сли теле-ф и лософ е, болею щ ем о н аци он альн ом достои н стве учен ого и
науки , п атриоте своей Р оди н ы и народа.)
И так, в результате аккреци и , т. е. захвата сильны м п олем тяготен и я ней трон н ой
звезды вещ ества с поверхн ости звезды -ком п аньона, на п оверхн ости нейтрон н ой
звезды образовался слой аккреци рую щ его вещ ества, состоящ его из 3/4 водорода, с
плот-
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.
228
228
ностью м и лли ард кг/м
3
и тем пературой в п олм и ллиарда градусов: слой толщ и н о й в
м етр. Т ак, в грави тационном сж атом (т. е. экстрем альном п лотном ) вещ естве создан ы
сам ой при родой экстрем альн ы е астроф и зи чески е условия для н ачала работы
ядерного реактора, в котором долж ны прои сходи ть терм оядерн ы е реакци и
превращ ения водорода в гели й , а гели я — в углерод, которы й превращ ается в
ки слород и т. д. вп лоть до образован и я слож н ы х и м асси вн ы х атом н ы х ядер груп п ы
ж елеза: сам ы м зам ечательны м п роцессом этих терм оядерн ы х реакций образовани я
все более слож ны х и тяж елы х атом н ы х ядер является превращ ени е гели я в углерод,
скорость которого составляет соты е доли секун ды , тогда как скорость п ревращ ени я
водорода в гелий — секун ду. И м ен н о поэтом у терм оядерн ы е взры вы п роисходят в
слое гели я как п ри чина коротки х и м ощ ны х всп лесков барстера. Г ели ево -углеродны й
цикл п редставляет собой как бы сам озаж игаю щ ий ся и сам оп оддерж иваю щ и й ся
ядерн ы й п роцесс: в ядерн ы х реакц и ях п рои сходи т эн ерговы делени е, которы м
вы зы вается увеличени е теп ла, а с ростом тепла п рои сходи т катастроф ическое
увеличен и е тем п ературы , что способствует ускорени ю ядерн ы х реакц и й .
П оэтом у гелиево-углеродны й ци кл как бы сам себя поддерж ивает и ускоряет
терм оядерн ы й п роц есс: при ещ е более ускорен н ом п роц ессе прои сходят
терм оядерн ы е взры вы в слое гели я. И м енн о эти терм оядерн ы е взры вы ,
происходящ ие в слое гели я н а п оверхн ости н ейтрон н ой звезды , стан овятся причин ой
всп ы ш ек барстера как нейтрон н ой звезды .
Т ак, и дя от наблю ден и я ф еном енов-всп ы ш ек к интерп ретаци и барстеров как
ней трон н ы х звезд, находящ и хся в тесн ой двойн ой звездн ой систем е с обы чн ой
звездой -ком паньоном , бы ла создана ясн ая и адекватн ая теори я о вспы ш ках
барстеров: она осн ована и построена н а двух ф ун дам ентальны х идеях Л . Д . Л ан дау и
И . С . Ш кловского, т. е. н а и дее аккрец и и , или захвата грави тац и он н ы м п олем
вещ ества, и и дее терм оядерн ы х взры вов в слое аккрец и рую щ его вещ ества на
поверхности н ей трон н ой звезды .
И так, м ы воочи ю ви ди м , н асколько важ н а и сущ ественна сила грави тационн ого
сж ати я как основн ого и главн ого и сточни ка — причины экстрем альны х
астроф изических условий, создаю щ их и творящ и х экстрем альное сж атое вещ ество
сам овозгорани я п ри родн ого ядерного реактора в сам ом астроф и зи ческом косм осе
звездн ого м ира.
1. Н ей трон н ы е звезды (пульсары и барстеры ) не являю тся частн ы м и и случайн ы м и
ф еном ен ам и в эволю ци и звездного м ира в составе галакти к и скоплени й галакти к,
а законом ерн ой необходи м остью звездной эволю ци и м атерии : экстрем альное
сверхп лотн ое вещ ество в ней трон н ы х звездах — переходн ая (т. е. пром еж уточн ая)
ф орм а бы ти я м атерии .
2. Б ы тие нейтронны х звезд н е бескон ечно: срок их бы тия составляет 10
7
-10
8
лет.
3. П ульсары как ком п актн ы е косм и чески е объекты вращ аю тся со скоростью света
вокруг своей собствен н ой оси : он и отличаю тся от барстеров тем , что н а
поверхности п ульсара всегда н аходи тся м агн и тосф ера, увлекаем ая вращ ени ем
пульсара со скоростью , близкой к скорости света. М агнитосф ера как
си н хротронны й ускоритель является ф изическим и сточн и ком ради ои злучени я и
косм ического рен тген овского излучения, а такж е излучения в други х диап азон ах.
П ульсар как нейтрон н ая звезда состои т и з четы рех слоев —
П оэтом у нельзя рассм атри вать пульсар только как , т. е. ж и дкую сф еру
ней трон н ого вещ ества.
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.
229
229
Р и с. 2.6. С еч ен и е стр оен и я п ул ьсар а
4. Б арстеры отличаю тся от пульсаров: п ульсары в больш ин стве случаев —
ней трон н ы е звезды оди н очны е, а барстеры сущ ествую т в больш и н стве слу чаев в
тесной двойн ой звездн ой систем е: и м енн о эти м обстоятельством объясн яю тся
осн овн ы е особен н ости свойств барстера — аккрец и я и терм оядерны е взры вы как
причин а всп лесков барстера.
Б арстеры , так ж е как и п ульсары , являю тся нейтрон н ы м и звездам и как
источн и кам и сам ы х различны х косм ически х излучени й в разны х диап азон ах —
ради о, оп ти ческом , рен тген овском и даж е гам м а-всп ы ш ек. П оэтом у м ы счи таем , что
ней трон н ы е звезды (пульсары и барстеры ) являю тся п ром еж уточны м и ф орм ам и
бы тия м атерии в звездн ой эволю ци и .
Р и с. 2.7
5. Е щ е одна особен н ость ней трон н ы х звезд состои т в том , что он и являю тся
пром еж уточн ой ф орм ой сущ ествован и я звездн ой м атерии м еж ду белы м и
карли кам и и черн ы м и ды рам и: белы е карлики и м ею т плотное вещ ество, а
ней трон н ы е звезды — сверхп лотное вещ ество. Ч то касается черн ы х ды р, то в них
все вещ ество п ревращ ается в си н гулярн ость как точку бесконечн ости м атери и и
искривленн ого пространства-врем ен и , т. е. он а п ревращ ается в сверх- и
гиперэкстрем альн ое сж атое, коллап сирован н ое состояни е.
И зучен и е нового класса небесн ы х тел разви вается обы чн о трем я
последовательны м и этапам и — наблю ден и е — и н терпретац и я — теори я.
Н а п ервом этапе прои сходи т астрон ом и ческое откры тие и идет накоп лен и е
важ нейш их ф изических дан н ы х. В торой этап п редполагает осм ы слени е и анализ эти х
дан н ы х, сопоставлен и е и х с тем , что и звестно в н ауке. И нтерп ретация
наблю дательн ы х данн ы х долж на дать ответ н а воп рос, чт о эт о т акое, чт о т ам
происходит . Ц ель третьего этап а — построи ть ясную карти н у явлени я, которая
давала бы ответ
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.
230
230
на вопрос, как и почем у происходит т о, чт о м ы наблю даем . Н а этом этапе
вы двигаю тся теорети чески е и деи и гипотезы , разрабаты ваю тся ф и зико -
м атем атические м одели явлен и я, проводится их сравнени е с наблю дени ям и .
Т еори я — объяснени е, п очем у и как прои сходи т то, что м ы н аблю даем :
соп оставлен и е теории с н аблю даем ы м и ф актическим и дан н ы м и .
Н аш рассказ о барстерах тож е развивается от наблю дений и их инт ерпрет ации к
т еории эти х косм ически х объектов. И н аблю ден и я, и в особенн ости и н терпретац и я
их дали очень м ногое.
Р адиус н ейтрон н ой звезды гораздо м ен ьш е разм ера ее полости Р ош а. Ч то ж е
касается звезды -ком пан ьона, то ее ради ус сравним с расстоян и ем м еж ду звездам и , и
она м ож ет переполнят ь собой свою полость Р ош а. В этом случае от нее к нейтрон н ой
звезде устрем ляется струя вещ ества, увлекаем ого тяготени ем н ейтрон н ой звезды
внутрь ее полости Р ош а.
Н и ж е все схем ы о пульсарах как ней тронны х звездах н ам и воспроизводятся из
кн и ги А . Д . Ч ерн и н а «Звезды и ф и зи ка».
Р и с. 2.8
А ккрец и он н ая струя вещ ества звезды -ком п ан ьона, увлекаем ая и захваты ваем ая
си льны м полем тяготени я ней трон н ой звезды , устрем ляется к п оверхн ости
ней трон н ой звезды : она п адает н а поверхность ней трон н ой звезды . П адая к
ней трон н ой звезде, вещ ество ускоряется, п ри обретает зн ачи тельн ы е скорости и
соответствую щ ую им н ем алую ки н етическую эн ергию . Н еи збеж ное столкн овен и е с
поверхностью н ейтрон н ой звезды соп ровож дается торм ож ени ем п адаю щ его
вещ ества; его кинети ческая эн ергия п ереходи т в теп ло. И з-за этого поверхность
ней трон н ой звезды разогревается, как всякое н агретое тело, н ачин ается изл учать
электром агн и тн ы е волн ы . Т ак возн и кает ф он овая светим ость барстера.
(С хем ы нам и восп роизводятся и з книги наш его известного теоретика-
астроф изика, ведущ его ученого А . Д . Ч ерн и н а «Звезды и ф и зи ка» (М ., 2004).)
И н тер п р етац и я : н ей тр он н ы е зв езды
У си лен и е и ослаблен и е яркости прои сходи т у разн ы х звезд -ц еф еид этого класса
с п ери одам и от н ескольки х дней до года.
Н о до п ульсаров ни когда ещ е н е н аблю дали сь и не встречались звезды со столь
коротким п ери одом , как у первого «кем бридж ского» п ульсара.