Пульсары и еще более удивительные звезды

В 1937 году в журнале «Доклады Академии наук СССР» появилась короткая статья: «Об источниках звездной энергии». Принадлежала она перу совсем молодого тогда советского физика-теоретика Льва Давидовича Ландау. Он выдвинул удивительную гипотезу о возможности существования в природе нового, неизвестного науке состояния вещества. Ландау назвал его «нейтронным» состоянием и полагал, что встречаться оно может в недрах звезд.

Вспомним, что такое нейтрон. Элементарная, электрически нейтральная частица, входящая вместе с протонами в состав всех атомных ядер. Нейтрон — исключительно важная частица. Из-за отсутствия электрического заряда нейтроны способны проникать глубоко в атомные ядра и способствовать ядерным реакциям. Именно благодаря «обстрелу» атомных ядер урана нейтронами происходит деление ядер, обеспечиваются цепные ядерные реакции в ядерных реакторах атомных электростанций, получают искусственные радиоактивные изотопы.

У нейтрона сегодня масса профессий, и он толково и надежно работает на человека.

Правда, в обычных условиях нейтрон неустойчив. Время жизни его составляет минут пятнадцать, по истечении которых нейтрон стремится распасться:

НЕЙТРОН → ПРОТОН + ЭЛЕКТРОН + НЕЙТРИНО

Но каковы же должны быть тогда условия для устойчивого нейтронного состояния вещества, о котором писал Ландау?

И тут мы снова возвращаемся к тому удивительному и трагическому моменту в жизни звезды, который мы назвали «коллапс».

Если звезда имеет массу, больше чем на 20% превышающую солнечную, то ее коллапс происходит иначе, чем при образовании белых карликов. Под действием огромного давления электроны начнут сливаться с протонами. Если учесть еще вездесущие нейтрино, то мы получим обратную реакцию:

ПРОТОН + ЭЛЕКТРОН + НЕЙТРИНО → НЕЙТРОН

(Правда, нейтрино в обеих реакциях отличаются друг от друга, но не это главное.) Важно, что образовавшиеся нейтроны в условиях чудовищной плотности не распадаются, а существуют устойчиво. А чем больше образуется нейтронов, тем меньше в плазме остается электронов. Уменьшаются силы отталкивания в веществе, или, как говорят астрофизики, «электронное давление падает». Коллапс ускоряется. Теперь уже ни повышение внутренней температуры, ни увеличение внутреннего давления под действием сжатия звезды не в состоянии остановить процесс. Он нарастает как лавина. Огромный раскаленный газовый шар неудержимо сжимается в маленький комок невероятно плотного «нейтронного» вещества. Примерно так, как если бы тюк рыхлой ваты прокатали и сплющили на могучем прессе до размеров булавочной головки.

Чтобы лучше понять сам процесс такого явления, давайте вспомним строение вещества. Все, что нас окружает, состоит из атомов. Каждый атом — это ядро, имеющее положительный электрический заряд, вокруг которого на некотором расстоянии обращаются электроны.

Если представить себе атомное ядро размером с теннисный мяч, то оболочка самого близкого к ядру электрона окажется удаленной от его центра на добрых четыре тысячи метров. Представляете, какая «пустота» царствует там, где атомное ядро окружают десятки электронов?

В обычных условиях в веществе атомы располагаются «далеко» (с атомной точки зрения) друг от друга, чтобы не деформировались внешние электронные оболочки. Даже ионизированные атомы — ионы — не могут быть «упакованы» более плотно, потому что электрические заряды одинакового знака препятствуют их сближению. Лишь чудовищному давлению удается смять электронные оболочки и даже вдавить электроны в атомные ядра... Вот тогда-то вместо «пухлого» атома и появляется крохотная частица с такой же примерно массой, как у атома, и абсолютно нейтральная электрически — нейтрон!

Что может помешать нейтронам «упаковаться плотнее» и занять объем в миллионы раз меньший?.. Ничто! Для наглядности приведем такой пример: если бы все вещество, составляющее нашу Землю, перевести в нейтронное состояние, то получится шар диаметром... 150 метров. Но крошечный кусочек этого шара размером с булавочную головку будет весить сотни тысяч тонн.

Впрочем, не обязательно вся звезда должна состоять из нейтронов. Американский астрофизик Цвикки считает, что в центральных областях многих звезд существуют блуждающие нейтронные ядра. Цвикки назвал их по имени легендарных духов, живущих в подземельях, «гоблинами». Когда такой «гоблин» выбирается на поверхность звезды, он распадается, создавая эффект большего или меньшего взрыва. Но лишь глобальный, всеобщий коллапс теоретически приводит к образованию полностью нейтронных звезд.

Коллапс сопровождается выделением огромной энергии. Вы помните, мы говорили о взрывах новых и сверхновых звезд, когда за время вспышки, длящейся два-три месяца, звезда выделяет столько же энергии, сколько Солнце за 10 миллионов лет. Ну-ка, поделите сами 10 миллионов лет на два месяца...

Нейтронные звезды! Предсказанные теоретически в 1937 году, они долгие годы оставались невидимыми для астрономов. Это и понятно. Согласно расчетам, после коллапса масса нейтронной звезды должна быть немногим меньше солнечной, а радиус... радиус при этом не превысит 20—30 километров. Такая звезда, нет, ее уже, пожалуй, и нельзя назвать этим именем, и вы сейчас поймете почему, такое образование по своей структуре больше всего похоже на гигантское... атомное ядро! Гигантское, потому что объем нейтронного чудовища примерно в 10⁵⁵ раз больше объема обычного атомного ядра. У шара диаметром в десять — пятнадцать километров оказывается поле притяжения звезды, способное удержать возле себя планетную систему. Силы тяготения настолько сконцентрированы возле нейтронной звезды, что искривляют даже лучи света от других звезд. Значит, нейтронная звезда играет как бы роль гравитационной космической линзы, фокусирующей проходящие мимо световые лучи.

Читатель может возразить: дескать, все это гипотезы, предположения. Ведь никто еще не видел воочию ни одной нейтронной звезды! Минуточку. Тут хотелось бы напомнить читателю тот небольшой параграф книжки, в котором рассказывалось о «маленьких зеленых человечках»... Да, после открытия, сделанного профессором Хьюишем и его сотрудниками в 1967 году, нейтронные звезды приобрели реальность. Пульсары — вращающиеся нейтронные звезды!..

Период пульсации одного из первых открытых пульсаров в Крабовидной туманности равен 33 миллисекундам (0,033 секунды)! Запомним пока эту цифру. Теперь представим себе хорошо знакомую картину: на экране телевизора — соревнования по фигурному катанию. Спортсмен заканчивает выступление. Оттолкнувшись, он начинает вращаться вокруг своей оси, широко раскинув руки. Сначала вращение происходит медленно, но вот спортсмен прижимает руки к груди, и темп его вращения резко убыстряется...

Вернемся к звездам. Большое по объему небесное тело вращается вокруг своей оси. Происходит коллапс. При этом масса звезды остается почти прежней. А объем?.. Объем сокращается. Диаметр звезды был, предположим, 1000 000 километров, а стал — 100 километров. По известному физическому закону сохранения момента вращения угловая скорость звезды должна при этом увеличиться в 100 000 000 раз. То есть если раньше звезда тратила на полный оборот 10 суток, то теперь этот период уменьшается до 0,01 секунды (10 миллисекунд). Очень похоже на то, что мы наблюдаем у пульсаров. Конечно, представить себе шар диаметром 100 километров вращающимся в космосе со скоростью шесть тысяч оборотов в минуту... тут нужно иметь весьма развитое воображение.

Уже открыто более пятидесяти пульсаров на небе Земли. Астрофизики и физики-теоретики заняты исследованием возможных физических процессов в веществе, находящемся в столь удивительном состоянии. Не исключено, что скоро мы с вами станем свидетелями новых открытий.

Но попытаемся представить себе развитие коллапса массивной звезды дальше. Предположим, что ее масса оказалась настолько большой, что процесс не остановился на «развале» атомных ядер, на образовании нейтронной звезды... Процесс идет дальше! Сжатие продолжается.

Так выглядят туманности, названные планетарными

Нейтроны, стиснутые полем гравитации, начинают превращаться в еще более плотные и тяжелые частицы — гипероны. В недрах нейтронной звезды зарождается гиперонное ядро. Небесное тело еще больше съеживается, уменьшая свой радиус. Теперь уже перед нами совсем небольшой ком сверхпланетной материи с массой звезды, а следовательно, и полем тяготения той же звезды...

Но если маленький комок вещества обладает полем притяжения огромной звезды, способной удержать возле себя целую планетную систему, то и плотность такого поля тяготения должна быть чрезвычайно большой. Сквозь мощный барьер гравитации сжавшейся звезды все труднее становится пробиваться даже излучению, даже световым лучам. Мощное поле тяготения заворачивает их и возвращает к поверхности. И наконец, когда радиус коллапсирующего тела достигает критической величины (его называют «гравитационным радиусом»), звезда навсегда исчезает из поля зрения внешнего наблюдателя, как бы «гаснет». Лишь неизменное поле тяготения предупреждает о том, что здесь, в центре черной ловушки Вселенной, находится «гравитационная могила» сколлапсировавшей звезды.

Чтобы вы могли себе представить более наглядно этот процесс, скажу, что, для того чтобы радиус нашей Земли сравнялся с гравитационным радиусом, все вещество нашей планеты пришлось бы сжать до размеров шарика для пинг-понга... А гравитационный радиус Солнца — примерно один километр!..

Пока модели таких звезд существуют лишь в теоретических расчетах. Но на наших глазах слишком много даже самых невероятных предположений приобрели черты законов природы. Так что и в данном случае ни одна гипотеза не должна быть обойдена вниманием.

Знаете ли вы, что?

Современный космический корабль, совершающий рейс в межпланетном пространстве, движется со скоростью примерно 11,5 км/сек. За сутки он проходит около миллиона километров!

Если бы мы вздумали на современном космическом корабле посетить окрестности ближайшей к нам звезды — Альфы Центавра, то полет наш затянулся бы больше чем на сто тысяч лет.