Нейтронные звезды и «черные дыры»

Что же будет со звездой, израсходовавшей свои запасы термоядерного топлива, если ее масса превосходит предел Чандрасекара?

Когда Л. Д. Ландау представил к опубликованию свою первую работу по устойчивости холодных звезд, нейтрон еще не был открыт. Это случилось несколькими месяцами позднее. Но уравнения Ландау, в которых рассматривался вырожденный холодный газ, были вполне применимы и к нейтронному газу.

В 1937 г. Л. Д. Ландау вновь вернулся к этой проблеме. За это время в мировой печати уже промелькнули высказывания астрофизиков В. Бааде и Ф. Цвикки о том, что могут существовать нейтронные звезды. Ландау исследовал этот вопрос подробнее. Нейтроны могут образовываться из протонно-электронного газа благодаря реакции

р + е → п + nu

(протон плюс электрон дают нейтрон и нейтрино). Скорость этой реакции зависит от плотности газа. При плотности менее 10⁷ г/см³ число протонов и нейтронов в газе почти одинаково, но при увеличении плотности число нейтронов начинает быстро расти. Ядра с аномально большим числом нейтронов становятся неустойчивыми и распадаются. Наконец, при плотности больше 10¹⁰ г/см³ вещество звезды почти целиком состоит из нейтронов. Отсюда Ландау заключил, что после исчерпания источников энергии во внутренних частях звезды с достаточно большой массой (а значит, и плотностью) образуется массивная нейтронная сфера.

Работу Ландау продолжили американские физики Роберт Оппенгеймер (впоследствии один из создателей атомной бомбы) и Г. М. Волков. В 1939 г. они рассчитали точную модель нейтронной звезды с использованием уравнений общей теории относительности. Выяснилось, что при плотности 10¹⁰ г/см³   масса звезды, находящейся в равновесии, составляет лишь 0,1 массы Солнца. С ростом плотности растет и равновесная масса звезды, и при плотности 10¹⁵ г/см³ она достигает своего максимума, 0,7М_©, после чего снижается примерно до 0,4М_© с приближением плотности к бесконечности. Но все конфигурации звезды с плотностями в центре больше 10¹⁵ г/см³ оказываются неустойчивыми, поэтому данное значение плотности и соответствующая ей масса получили название предела Ландау — Оппенгеймера — Волкова или сокращенно — предела ЛОВ.

Читать далее...

Конец пути

Как же заканчивается жизненный путь звезды? Если вначале существовало наивное представление о том, что каждая звезда, исчерпав свои энергетические ресурсы, «просто остывает», то уже в 20-е годы у Рессела возникло представление, что конечный этап жизни звезды — стадия белого карлика. Это представление прошло через полстолетия поисков, и каждый раз попытки как-то обосновать его встречали большие трудности. Даже машинные расчеты М. Шварцшильда, Киппенхана, Масевич, в каждом из которых рассчитывалось по 600—800 моделей, не доводили звезду до стадии белого карлика. Трудность состояла не столько в быстроте изменений состояния звезды, сколько в том, что с изменением этого состояния приходится принимать во внимание новые законы природы — законы поведения вырожденного газа при сверхвысоких плотностях с учетом эффектов общей теории относительности. Уравнения, описывающие превращение звезды в белый карлик, усложняются настолько, что их решение не под силу даже электронно-вычислительным машинам.

Но конечное состояние звезды рассчитать можно. И попытки это сделать предпринимались еще в конце двадцатых — начале тридцатых годов.

Вспомним вкратце основное, что известно астрономам о природе белых карликов. Это звезды с массами от одной до 0,2 солнечной, но с очень малыми размерами и чудовищной плотностью.

Первый белый карлик — спутник Сириуса — был обнаружен по отклонениям в движении Сириуса, которые он создавал своим притяжением. Вывод о том, что у Сириуса есть слабый, невидимый спутник, сделал еще Ф. Бессель в 1844 г. на основании обработки своих наблюдений за 1834—1840 гг. Лишь в 1862 г. А. Кларк, известный оптик, испытывая изготовленный им объектив нового телескопа обсерватории университета в Миссисипи, заметил вблизи Сириуса звездочку 7-й величины, такого же цвета, как и сам Сириус. Оказалось, что светимость спутника в 3000 раз меньше, чем у Сириуса, диаметр — в 55 раз, но масса была только в 2,5 раза меньше массы главной звезды. Таким образом, средняя плотность спутника Сириуса составляла 4·10⁴ г/см³.

В 1896 г. был открыт второй белый карлик — спутник Проциона (также предсказанный Бесселем), за следующие 40 лет — еще три. Но потом число открываемых белых карликов начало быстро расти. Этому в немалой степени способствовало применение новых методов их обнаружения. По специальной программе, разработанной американским астрономом В. Лейтеном, на 48-дюймовом телескопе Шмидта обсерватории Маунт Паломар фотографируются участки неба, один за другим. Путем сравнения положений звезд на снимках, разделенных интервалом в несколько лет, отбираются звезды с большими собственными движениями (т. е. близкие к нам). Они подвергаются более тщательному анализу, в частности, исследуются их спектры. По спектрам и выявляются белые карлики.

Уже к 1953 г. было зарегистрировано 267 белых карликов, а дальше их стали открывать по сотне и более в год. В 1970 г. В. Лейтен опубликовал сводный каталог, в котором содержится 2934 объекта.

Читать далее...

Открытия в звездной астрономии

В годы второй мировой войны на американской обсерватории Маунт Вилсон, на тогда еще крупнейшем в мире 2,5-метровом рефлекторе, проводил фотографирование избранных участков неба астроном Вальтер Бааде. Уроженец Германии, он с 1929 г. работал в США, но сохранял германское подданство. Когда Соединенные Штаты в 1941 г. вступили в войну, Бааде был объявлен «союзником врага» и ему было запрещено выезжать за пределы обсерватории. Но он продолжал работать, используя исключительно темные ночи, так как в Лос-Анджелесе и других близлежащих городах было введено затемнение.

В 1944 г. Бааде сделал ряд очень важных открытий. Фотографируя эллиптические галактики, он впервые смог разложить их на звезды и доказать тем самым, что они состоят из звезд. Затем он разложил на звезды ядро галактики в Андромеде. Не удовольствовавшись этими чисто внешними результатами, Бааде построил для звезд этих галактик верхнюю часть диаграммы Герцшпрунга—Рессела (изучать можно было только гиганты). Диаграмма получилась совсем не такая, как для таких же звезд нашей Галактики, но зато очень напоминала диаграммы «спектр— светимость», построенные еще в 1915 г. на той же обсерватории Харлоу Шепли — тогда еще молодым астрономом, учеником Г. Н. Рессела, впоследствии ставшим директором Гарвардской обсерватории.

Бааде решил сам заняться шаровыми звездными скоплениями. У него получился тот же результат, что и у Шепли: красные гиганты оказались в шаровых скоплениях гораздо ярче, чем голубые, а диаграмма «спектр — светимость» имела вид вилки, обращенной влево и вниз. Вскоре Бааде обнаружил, что звезды нашей Галактики можно разделить по этому признаку на два «населения»: «население» I, к которому относилось большинство звезд  плоской составляющей Галактики, а также звезды рассеянных звездных  скоплений, и «население» II, к которому относились звезды шаровых звездных скоплений, а также звезды с большими скоростями, короткопериодические цефеиды типа RR Лиры и некоторые другие. К такому же типу относились звезды эллиптических галактик и ядер спиральных галактик.

В 1947—1949 гг. советский астроном Б. В. Кукаркин проделал  громадную работу по изучению пространственного распределения звезд различных типов, главным образом переменных звезд: коротко-периодических цефеид (типа RR Лиры), долго-периодических цефеид, звезд типа Миры Кита, новых звезд и других. Одновременно П. П. Паренаго изучил их кинематические характеристики. Проведение этой работы облегчалось тем, что оба исследователя составляли в это время «Общий каталог переменных звезд», куда вошло свыше 10000 звезд. Данные по каждой звезде выписывались на специальную карточку со всеми необходимыми библиографическими ссылками. Это помогло проведению исследования распределения и движений этих звезд в Галактике.

 

Читать далее...

Источник найден!

Долог и труден был путь астрофизиков к открытию источников звездной энергии. Мы проследили все его этапы. Но самое удивительное — это то, что ученые не раз говорили о тех явлениях, которые, как мы теперь хорошо знаем, служат источниками энергии в звездах, и... проходили мимо.

В 1925 г. А. Эддингтон отстаивал возможность образования гелия из водорода в недрах звезд. Он спорил с физиками, считавшими звездные недра недостаточно горячими для ядерных реакций:

«Гелий, который мы имеем, должен был где-то и когда-то образоваться. Мы не спорим с критиком, который говорит, что звезды недостаточно горячи для этого процесса, мы говорим ему: найдите более горячее место!»

Эддингтон интуитивно понимал, что образование гелия из водорода может протекать в звездах и давать им энергию. Но он не мог доказать это. Не было еще ни теоретических, ни экспериментальных данных о скоростях ядерных реакций при разных температурах.

В 1929 г. американские физики Р. Аткинсон и Ф. Хоутермэнс доказл; и, что при температурах порядка 20 миллионов градусов протоны могут проникать в ядра легких элементов (от лития до азота). Прежде это считалось невозможным из-за потенциального барьера. Ядро и протон (или два ядра) оба имеют положительные заряды и по закону Кулона должны отталкиваться друг от друга. Кинетическая энергия протонов при температурах, царящих в недрах звезд, недостаточна для преодоления этого кулоновского барьера. Именно поэтому физики высмеивали идеи Эддингтона о ядерных реакциях.

Но так обстоит дело лишь с точки зрения классической физики. Развитие в середине 20-х годов новой, квантовой физики позволило открыть туннельный эффект: некоторую вероятность для налетающей частицы преодолеть потенциальный барьер даже с меньшей энергией, чем требуется, чтобы его «перепрыгнуть». Такая частица проходила как бы не над барьером, а под ним, сквозь своеобразный «туннель».

Аткинсон и Хоутермэнс оценили высоту потенциальных барьеров различных ядер и подсчитали вероятность освобождения энергии. Она оказалась пропорциональной двадцатой степени температуры! При звездных температурах выход энергии был достаточен для покрытия расходов звезды на излучение.

Но работа Аткинсона и Хоутермэнса не имела экспериментальной основы. Кроме того, они не могли указать, какие именно ядерные реакции происходят в звездах и дают энергию.

Читать далее...

Жизненный путь звезды

К проблеме: как протекает жизненный путь звезды — можно было подойти с нескольких позиций.

Можно было подвергнуть тщательному анализу диаграмму Герцшпрунга — Рессела и сделать из него какие-то космогонические выводы.

Можно было, задавшись каким-то определенным механизмом пополнения звездной энергии и зная, как зависит интенсивность излучения от массы, радиуса и температуры звезды, попытаться теоретически рассчитать ход эволюции звезды.

Можно было взять за основу условия лучистого и конвективного равновесия и построить семейство устойчивых моделей звезд, а затем сравнить их с данными наблюдений.

Астрономы и физики шли по всем трем направлениям, неуклонно приближаясь к решению проблемы.

Первые попытки проследить жизненный путь звезды были весьма робкими. О некоторых из них мы уже рассказывали. Применение законов Лейна к гипотезе гравитационного сжатия Гельмгольца — Кельвина уже принесло новый результат: сжимающаяся звезда должна разогреваться (температура изменяется обратно пропорционально радиусу!), пока увеличение плотности не замедлит сжатие настолько, что расход энергии превысит приход. Тогда звезда начнет остывать. Эволюционный путь звезды, таким образом, уже сто лет назад представлялся состоящим из двух ветвей: восходящей и нисходящей. А. Риттер в 1883 г. прямо указывал на то, что красные гиганты находятся на восходящей, а красные карлики — на нисходящей ветви эволюции.

Оригинальную гипотезу происхождения звезд путем конденсации из метеорной материи предложил Норман Локиер в своем выступлении 17 ноября 1887 г. перед Лондонским королевским обществом. Развивая свою гипотезу дальше, Локиер опирался не только на теоретические выводы Лейна и Риттера, но и на результаты исследований спектров звезд.

Схема эволюции звезд по Локиеру выглядит так.

 

Схема эволюции звезд по Локиеру.

 

В начале жизненного пути находятся красные гиганты типа Антареса (класс М), затем звезда проходит стадии оранжевого гиганта, как Альдебаран (К5), желтого гиганта, как Полярная (Ив), белого гиганта, как Денеб (А2) и Ригель (В8). На вершине эволюции находятся самые горячие голубые звезды: у Парусов и £ Кормы (класс О). На нисходящей ветви последовательно располагаются бело-голубые звезды, как Ахернар (В5), белые, как Сириус (А0), бело-желтые, как Процион (F5), желтые, как Солнце (G) и Арктур (К), наконец, красные карлики, как 19 Рыб (N). Дальше звезда угасает и становится темной.

Читать далее...

Что такое главная последовательность

В 1905 г. датский астроном Эйнар Герцшпрунг сделал важный шаг вперед: он впервые сопоставил особенности спектров звезд с их светимостью. Выяснилось, что звезды поздних классов (от О до М) резко разделяются на две группы: с очень большой и очень малой светимостью. Герцшпрунг назвал их гигантами и карликами. Действительно, поскольку температура у всех звезд одного и того же спектрального класса одинакова, полная светимость звезды зависит только от ее размеров. Проведенные, начиная с 1919г., прямые измерения диаметров звезд с помощью интерферометра Майкельсона подтвердили, что звезды-гигангы действительно во много раз больше Солнца, и дали хорошее согласие с определениями размеров звезд по их светимостям.

Что касается с-звезд мисс Мори, то они оказались еще больше обычных гигантов. Их назвали сверхгигантами.

Через несколько лет после Г'ерцшпрупга к изучению связи между спектрами и светимостью звезд обратился уже известный нам Генри Норрис Рессел, построивший в 1913 г. стройную диаграмму «спектр—светимость», которую называют также диаграммой Герцншрунга — Рессела или Г — Р - диаграммой. По вертикальной шкале в ней отложены логарифмы светимости, а по горизонтальной —спектральные классы. Светимость Солнца принята за единицу.

Тут сразу же выявилась интересная особенность этой диаграммы. Звезды не заполняли ее равномерно — они располагались двумя расходившимися ветвями. Одна из них, к которой принадлежало большинство звезд, шла по диагонали вниз и вправо; другая шла почти горизонтально слева направо и состояла из звезд-гигантов. Первая получила название «главная последовательность», вторая — «ветвь гигантов». Солнце, принадлежащее к спектральному классу G и имеющее светимость 1, находилось почти точно в середине главной последовательности.

 

 

После того как Рессел построил в 1913 г. свою диаграмму, стало возможно связать интенсивность и ширину линий в звездных спектрах со светимостью звезд. Метод такого количественного сопоставления разработали астрономы американской обсерватории Маунт Вилсон, У. Адамс и Кольиноттер.

Читать далее...

Радиоактивность в звездах?

В 1896 г. Анри Беккерель открыл явление естественной радиоактивности урана. Спустя два года Мария Склодовская-Кюри обнаружила это явление у тория, а затем супруги Кюри открыли радий — наиболее интенсивный из радиоактивных элементов.

Как это часто бывает, новые открытия в одной науке получили неожиданное применение в другой. Открытие радиоактивности позволило геологам и геофизикам разработать метод определения возраста горных пород с помощью «урановых часов»: сравнивая количества содержащегося в породе урана и конечного продукта его распада — свинца-206, можно было рассчитать, сколько времени прошло с момента образования той или иной горной породы. Этот метод вскоре позволил окончательно установить, что возраст Земли измеряется миллиардами лет, а значит, возраст Солнца — не меньше. Представление о том, что возраст Земли не превышает 100 миллионов лет, опиравшееся на авторитет лорда Кельвина, было поколеблено, а вскоре навсегда ушло в область истории.

С другой стороны, самопроизвольное выделение энергии при радиоактивном распаде наводило ученых на мысль, что подобный процесс мог происходить и в недрах Солнца. Но какой элемент служил основным поставщиком энергии? Радий? Нет, у него слишком короткий период полураспада— всего 2800 лет. Интенсивность излучения «радиевого» Солнца быстро падала бы: за 20 тысяч лет — в 100 раз, за 40 тысяч лет — в 10 000 раз и так далее.

Читать далее...

НЕСКОЛЬКО СЛОВ ДЛЯ НАЧАЛА

Автор уже попытался рассказать читателям, как создаются, проверяются и опровергаются научные гипотезы о происхождении и природе небесных тел. Небольшой объем первой книги заставил ограничиться пределами Солнечной системы, хотя даже и в этих пределах были рассмотрены далеко не все проблемы, служившие пробным камнем для гипотез, в том числе довольно известных. Но в нашу задачу и не входило давать сводку всех гипотез о происхождении тел Солнечной системы — изложение гипотез служило лишь п р и м е р о м творчества ученых-теоретиков, иллюстрацией научного поиска.

Такую же цель мы ставим перед собой и в этой книге, которая продолжает линию повествования предыдущей. Но теперь мы выходим на просторы Большой Вселенной. Здесь мы сразу сталкиваемся с величайшим разнообразием небесных тел: звезды, одиночные, двойные и кратные, спокойные и нестационарные, красные гиганты и белые карлики, новые и сверхновые; туманности, газовые и пылевые, диффузные и планетарные; звездные скопления, рассеянные и шаровые; галактики, спиральные и эллиптические, гигантские и карликовые, компактные и неправильные; скопления галактик; наконец, Метагалактика и Большая Вселенная. А недавно открытые квазары, пульсары, нейтронные звезды и загадочные «черные дыры»? Даже дух захватывает от разнообразия объектов. С чего начать? На что обратить внимание?    •

Как и в первой книге, мы решили, не нарушая общей связности изложения, отобрать те проблемы, которые являются наиболее удобными и благодарными для иллюстрации «творческой кухни» астрономов и в то же время представляют интерес для читателя. Некоторые из этих проблем давно уже решены, но мы возвратимся к тем временам, когда ученые к ним еще только приступали. Другие лишь недавно поставила перед учеными бесконечно разнообразная природа, и они еще не нашли решения. Неизбежным спутником всякого научного поиска является гипотеза, т. е. научное предположение, с помощью которого исследователь стремится объяснить наблюдаемые явления.

Науку часто сравнивают с храмом, куда не позволено входить непосвященным. Это сравнение верно только отчасти. Да, непосвященным разобраться в науке трудно. Но это не потому, что наука — храм, где на золотых полках разложены скрижали незыблемых законов, которым нужно только поклоняться и благоговеть перед ними. Нет, наука — это скорее бурное море, где на каждом шагу ученого подстерегают новые трудности, загадки, проблемы, где приходится все время лавировать, чтобы их преодолеть, разрешить, разгадать. Неопытный захлебнется в них, умелый всегда найдет верный путь. Может быть, не сразу, а через годы труда, поисков, ошибок. Но найдет непременно. Найдет потому, что он вооружен знаниями. Всей той суммой знаний, которую накопили его предшественники и которую чуть-чуть приумножил он сам.

А теперь нам пора, читатель, самим пуститься в плавание. Нас ожидает мир звезд, а за ним — Большая Вселенная. Первый порт на пути — ближайшая звезда, т. е. наше Солнце. С него мы и начнем.

 

Читать далее...

Циолковский Константин Эдуардович [5(17).9.1857, с. Ижевское, ныне Рязанской области, — 19.9.1935, Калуга], русский советский учёный и изобретатель в области аэродинамики, ракетодинамики, теории самолёта и дирижабля; основоположник современной космонавтики. Родился в семье лесничего. После перенесённой в детстве скарлатины почти полностью потерял слух: глухота не позволила продолжать учёбу в школе, и с 14 лет он занимался самостоятельно. С 16 до 19 лет жил в Москве, изучал физико-математические науки по циклу средней и высшей школы. В 1879 экстерном сдал экзамены на звание учителя и в 1880 назначен учителем арифметики и геометрии в Воровское уездное училище Калужской губернии. К этому времени относятся первые научные исследования Ц. Не зная об уже сделанных открытиях, он в 1880—81 написал работу "Теория газов", в которой изложил основы кинетической теории газов. Вторая его работа "Механика животного организма" (те же годы) получила благоприятный отзыв И. М. Сеченова, и Ц. был принят в Русское физико-химическое общество.

Основные работы Ц. после 1884 были связаны с четырьмя большими проблемами: научным обоснованием цельнометаллического аэростата (дирижабля), обтекаемого аэроплана, поезда на воздушной подушке и ракеты для межпланетных путешествий. С 1896 Ц. систематически занимался теорией движения реактивных аппаратов и предложил ряд схем ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий. После Октябрьской революции 1917 он много и плодотворно работал над созданием теории полёта реактивных самолётов, изобрёл свою схему газотурбинного двигателя; в 1927 опубликовал теорию и схему поезда на воздушной подушке. Читать далее...

Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, т. е. понимаемое как способ существования материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собой все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением. Само собой разумеется, что изучение природы движения должно было исходить от низших, простейших форм его и должно было научиться понимать их прежде, чем могло дать что-нибудь для объяснения высших и более сложных форм его. И действительно, мы видим, что в историческом развитии естествознания раньше всего разрабатывается теория простого перемещения, механика небесных тел и земных масс; за ней следует теория молекулярного движения, физика, а тотчас же вслед за последней, почти наряду с ней, а иногда и опережая ее, наука о движении атомов, химия. Лишь после того как эти различные отрасли познания форм движения, господствующих в области неживой природы, достигли высокой степени развития, можно было с успехом приняться за объяснение явлений движения, представляющих процесс жизни. Объяснение этих явлений шло вперед в той мере, в какой двигались вперед механика, физика и химия. Таким образом, в то время как механика уже давно была в состоянии удовлетворительно объяснить происходящие в животном теле действия костных рычагов, приводимых в движение сокращением мускулов, сводя эти действия к своим законам, имеющим силу также и в неживой природе, физико-химическое обоснование прочих явлений жизни все еще находится почти в самой начальной стадии своего развития. Поэтому, исследуя здесь природу движения, мы вынуждены оставить в стороне органические формы движения. Сообразно с уровнем научного знания мы вынуждены будем ограничиться формами движения неживой природы.

Всякое движение связано с каким-нибудь перемещением - перемещением небесных тел, земных масс, молекул, атомов или частиц эфира. Чем выше форма движения, тем незначительнее становится это перемещение. Оно никоим образом не исчерпывает природы соответствующего движения, но оно неотделимо от него. Поэтому его необходимо исследовать раньше всего остального.

Вся доступная нам природа образует некую систему, некую совокупную связь тел, причем мы понимаем здесь под словом тело все материальные реальности, начиная от звезды и кончая атомом и даже частицей эфира, поскольку признается реальность последнего. В том обстоятельстве, что эти тела находятся во взаимной связи, уже заключено то, что они воздействуют друг на друга, и это их взаимное воздействие друг на друга я есть именно движение.

Уже здесь обнаруживается, что материя немыслима без движения.

Читать далее...