В чем в XIX веке заключалось противоречие между геологами и астрофизиками относительно возраста Солнца? В чем различие между процессами термоядерной реакции на белых карликах и нейтронных звездах? Что происходит в результате слияния двух нейтронных звезд? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Валерий Сулейманов.

Солнце — это самый лучший астрофизический объект, на котором проверяется все, что придумывают астрофизики. Откровенно говоря, это сначала появляется на Солнце, а уже потом прилагается к каким-то другим объектам.

Две главные вещи определяют лицо астрофизики. То, что мы видим, когда выходим за пределы нашей Солнечной системы, — это прежде всего звезды — самые многочисленные объекты из виденных нами. Как всегда, чтобы понять что-то, нужно упростить, свести к чему-то главному. Главная сила, которая действует во Вселенной, — это гравитация, искривление пространства и времени, которое мы видим как гравитацию. И можно выделить главный физический процесс, определяющий лицо звезд и тех объектов, которые мы видим в нашей Галактике и в других галактиках кроме звезд, — термоядерную реакцию.

Это своего рода алхимия. Если мы вспомним историю — когда-то люди пытались с помощью химических реакций превращать элементы: хотели получить золото из дешевого свинца. Теперь мы знаем, что химическими методами этого сделать нельзя, но зато весь наш мир устроен таким образом — он существует только благодаря тому, что происходит превращение одних химических элементов в другие.

Рекомендуем по этой теме:
45665
Рождение и эволюция звезд

Мы знаем, что на Солнце идут термоядерные реакции, водород превращается в гелий, и вся игра основана на том, что масса — это одно из проявлений энергии. Это означает, что из одного грамма вещества можно получить энергию такую, если умножим на квадрат скорости света. Такая энергия извлекаема. Это все очень хорошо работает в физике элементарных частиц, когда мы имеем дело с отдельными процессами и с отдельными частицами, рождаемыми в соответствии с этой формулой, уничтожаемыми каким-то образом. В астрофизике все сложнее. Получить из какой-то массы какую-то энергию не так просто. Один из эффективных, но не самый эффективный процесс получения энергии — это термоядерная реакция.

Люди не сразу пришли к пониманию того, что термоядерные реакции вообще существуют и тем более важны. В те времена, когда люди стали серьезно заниматься наукой, классическая физика XIX века развилась до такой степени, что можно было поставить вопрос об источниках энергии на Солнце. Первый ответ был найден правильный в принципе, но неправильный применительно к Солнцу. Было очевидно, что если сжимать какое-то тело, то при этом будет выделяться какая-то энергия. Если Солнце постоянно за какое-то время уменьшается немного в своих размерах, то гравитационной энергии, выделяющейся при этом, потенциально будет достаточно, чтобы Солнце светило. К сожалению, этот процесс очень короткий, длится несколько миллионов лет. Примерно 30 миллионов лет для Солнца. Теперь мы знаем, что эта стадия Хаяши предшествует образованию настоящих звезд. Протозвезды светят главным образом за счет такого механизма, но наше Солнце — нет.

В XIX веке люди еще не знали точного возраста Земли, вообще ничего фактически. Поэтому 30 миллионов лет не казалась такой уж страшной цифрой. Хотя геологи уже в те времена по осадочным породам определяли возраст Земли в несколько миллиардов лет. Поэтому противоречие между геологической и астрофизической шкалами времени жизни Солнца было довольно значительным.

Ситуация изменилась, когда был открыт радиоактивный распад элементов, было понято, что это очень важно, и засекречено. Историю создания атомного оружия я не буду рассказывать, но современная астрофизика — понимание того, что происходит на небесных объектах, — появилась в результате работы людей над атомной бомбой. После того как основные вещи там были поняты, осознаны и воплощены в жизнь, этих людей, грубо говоря, выпустили, и они смогли заняться астрофизикой. Можно вспомнить Якова Борисовича Зельдовича, столетие которого мы отметили в 2014 году и который после создания ядерного оружия стал одним из самых известных астрофизиков советского времени.

Конечным этапом жизни звезд, когда термоядерная реакция в их центрах исчерпывается, является звездный «огарок» — благодаря гравитации, которая сжимает.

Почему Солнце не схлопывается? Гравитация его сжимает, оно очень тяжелое, но благодаря тому, что в центре выделяется энергия, большое тепловое давление мешает схлопыванию. Когда термоядерная реакция заканчивается — водород заканчивается, гелий перестает гореть, — то остается ядро, белый карлик. Если звезда очень массивная, в 10 раз массивнее нашего Солнца, то догорает до железа. Железо уже гореть дальше не может, и получается маленькая звезда с такой же массой — порядка массы Солнца — нейтронная звезда. Тем не менее, даже когда эти звездные «огарки» остаются и в них термоядерные реакции вроде бы не идут, наблюдаемые явления могут быть объяснены только с привлечением термоядерных реакций.

Массивные звезды — порядка 10 масс Солнца — образуют нейтронные звезды, потом заканчивают свою жизнь очень феерично — вспышкой сверхновой звезды, когда светимость становится в десятки миллионов раз выше, чем светимость Солнца, и звезда начинает светить как вся галактика. Как ни странно, в нашей Галактике эти сверхновые звезды вспыхивают парами. В начале второго тысячелетия, в 1006 году и в 1054 году, летописи зафиксировали появление сверхновых звезд, очень ярких объектов. Потом в эпоху Кеплера и его учителя Тихо — 1572 и 1604 годы. С тех пор сверхновые в нашей Галактике не вспыхивали.

Цвикки и Бааде предположили, что это связано: после вспышек сверхновых звезд появляются нейтронные звезды, поскольку энергии связи нейтронной звезды как раз хватает для того, чтобы была вспышка сверхновой звезды. С начала XVII века прошло уже три столетия, к XIX веку люди уже забыли о том, что такое сверхновые звезды. Но продолжали вспыхивать новые объекты, с которыми люди уже более-менее разобрались — по крайней мере, с их энергетикой. Это так называемые новые звезды.

Произошла очень интересная путаница: в 1885 году вспыхнула сверхновая звезда в знаменитой туманности Андромеды. Но, поскольку люди уже забыли о сверхновых звездах и не знали ничего про них, а видели вспышки новых звезд, энергетика которых в тысячу раз, в 10 тысяч раз ниже, чем у сверхновых звезд, люди подумали, что это такая же новая звезда, как те, которые были видны, и решили, что туманность Андромеды находится в пределах нашей Галактики.

Рекомендуем по этой теме:
15581
Жизнь звезды

Это был так называемый «большой спор» между Шепли и Кёртисом о природе внегалактических — теперь мы знаем, что они внегалактические — спиральных туманностей. Теперь мы знаем, что это такие же галактики, как наша. Но эта ошибка — спутали сверхновую звезду с новой, и мы получили, к сожалению, аргумент в пользу неправильной точки зрения.

Что же такое новая звезда? Оказывается, для того, чтобы шли термоядерные реакции, нужна высокая температура и/или высокое давление. Очень высокое давление даже при небольшой температуре способно приводить к ядерным реакциям, когда частицы подходят слишком близко друг к другу — просто из-за того, что их, как в толпе в метро, прижимает друг к другу.

Сила тяжести на компактных объектах — на белом карлике, на нейтронной звезде — настолько большая, что все вещество, которое на нее попадает (а попадать вещество может разными путями, из межзвездной среды, но самым прямым поставщиком вещества являются процессы в двойных звездах, когда звезды очень тесно сближаются за счет потери углового момента и с нормальной звезды типа Солнца начинает перетекать вещество на белый карлик), там накапливается и, если его накопить достаточно много, взрывается. Это обычный взрыв термоядерной бомбы, только на поверхности белого карлика и гораздо более мощный. Это явление не разрушает белый карлик — просто выбрасывается некая оболочка. Такая звезда светит с энергией примерно 1038 эрг/с, на эддингтоновском пределе. Она очень заметна, естественно, и они довольно часто вспыхивают — одна примерно в 10 лет, раз в несколько лет как минимум. Эти звезды были замечены, и ученые их уже исследовали. Такой взрывообразный процесс.

Оказывается, если на этот белый карлик сыпать очень много вещества, то процесс горения становится стационарным или близким к стационарному — такие волны идут, но он становится стационарным. И тогда получается так называемый сверхмягкий рентгеновский источник. Сверхмягкий в том смысле, что если мы на него смотрим и думаем, что он светит как железная болванка, как черное тело, и определяем таким образом (они были открыты в Магеллановых Облаках, а расстояние до них известно), то можно было прийти к выводу, что они светят как на переделе, превышающем эддингтоновский предел, — абсолютный запрет для светимости объектов. Было непонятно, с чем это связано, потому что сверхмягкие — очень мягкий спектр в рентгеновском диапазоне излучения, но кажется, что они светят на сверхэддингтоне.

На помощь пришла теория переноса излучения, а конкретно — моделирование атмосфер.

Оказывается, если у нас есть газообразная оболочка, то излучение проходит сквозь эту среду — на разных длинах волн по-разному, — и возникает искажение в спектре, которое приводит к ошибке, если мы считаем, что оно светит как какое-то твердое тело. Эта ошибка играет в нашу пользу и позволяет понизить оценку светимости этого объекта.

Что происходит на нейтронных звездах? На нейтронных звездах происходит все, казалось бы, ровно то же самое. Если мы накидаем вещества — будет вспышка, а если будем кидать очень много вещества — будет стационарное горение. От того, что нейтронная звезда имеет радиус примерно 10–15 км, а белый карлик — тысячу, несколько тысяч километров, размером с Землю, процессы, происходящие на их поверхности в результате термоядерного горения, становятся очень разными. Кроме термоядерных реакций существуют еще просто выделения энергии при падении вещества на компактный объект. В конечном итоге все переходит в тепло. Если очень много вещества сыпать на нейтронную звезду или на белый карлик, то эта энергия излучается, и мы такие источники видим. В случае белых карликов это катаклизмические переменные звезды, в случае нейтронных звезд это двойные рентгеновские системы.

В чем различие? Когда мы кидаем вещество на нейтронную звезду, то мы 10%, а то и 20% этой энергии массы покоя, что называется mc2, можем перевести в излучение. А эффективность термоядерных реакций составляет меньше процента, 0,5% в среднем. Разные термоядерные реакции дают разный выход. В несколько десятков раз как минимум меньше, чем аккреционные.

С белым карликом все наоборот. Когда мы сыплем на него вещество, то эффективность преобразования массы в энергию очень маленькая, сотые доли процента, и то, что мы видим, не очень яркое. А если взрывается накопленное вещество и нужно накопить много вещества, чтобы оно взорвалось, то вспышка новой звезды — это очень громкое событие, яркое и заметное. То есть на белом карлике термоядерная вспышка — это грандиозное событие, которое мы видим как вспышку новой звезды на небе. Но в то же время, когда постоянно идет процесс аккреции, за счет аккреции светит, мы такие объекты тоже видим, но они как слабые звездочки. В телескопы мы их наблюдаем, можем как-то оценить их свойства, все хорошо.

В случае двойных рентгеновских источников все ровно наоборот. Мы видим яркий — конечно, в оптике светит плохо, но это яркий рентгеновский источник, в рентгеновском диапазоне спектра прекрасно виден. В то же время иногда мы видим некие вспышки, когда яркость может в 10, 20, в 100 раз увеличиться, но на короткое время. И эти вспышки были интерпретированы как термоядерные взрывы на поверхности нейтронных звезд. И именно по длительности этих вспышек, по энергии, которая выделяется, и по энергии, которая выделяется между вспышками, заключили, что, поскольку между вспышками выделяется в сотню раз больше энергии, чем во время вспышек, эти вспышки являются термоядерными взрывами на поверхности нейтронных звезд. Эти термоядерные взрывы могут дать очень много информации о самих нейтронных звездах, об их размерах — это важно с точки зрения понимания того, что внутри этих нейтронных звезд творится.

Рекомендуем по этой теме:
75400
5 мифов о Солнце

История взаимоотношений термоядерных реакций и гравитации на этом не завершена, она продолжается. Наиболее интересная вещь связана со слиянием нейтронных звезд. При этом будут излучаться гравитационные волны, которые пока не найдены напрямую, но в существовании которых никто не сомневается — косвенными способами они были обнаружены.

Слияние двух нейтронных звезд (это редко случается, мы видим только очень далекие события, думаем, что видим далекие события в других галактиках) сопровождается коротким гамма-всплеском. Образуется одна протонейтронная звезда, быстровращающаяся, ее как-то корежит, она тоже излучает гравитационные волны и потом коллапсирует в черную дыру. Но при этом некий остаток вещества образует очень горячий и очень плотный тор вещества вокруг, в котором опять происходит термоядерная реакция. Это все горячее и видно в качестве электромагнитной вспышки, тоже в каком-то смысле новая. Даже придумали для нее название — килоновая. Она должна быть примерно в тысячу раз ярче, чем обычная новая.

При этом происходит синтез самых тяжелых элементов, которые имеются в земной коре, объяснить присутствие которых только вспышками сверхновых звезд часто бывает не очень комфортно. А здесь появляется новый источник очень тяжелых элементов вроде золота и выше, который связан непосредственно с компактными объектами, с их столкновениями. Я думаю, что на этом пути нас еще ждут очень интересные и захватывающие открытия, разобраться во всем этом было бы очень интересно.