олны и электромагнитное излучение на всех частотах, включая видимый свет, наблюдаемый нами как яркое свечение, но по большей части это фотоны высокой энергии – рентгеновские вспышки и гамма-всплески, – рассеиваемые вместе с заряженными частицами на большие расстояния. Все это длится недели или даже месяцы, а иногда, из-за распада радиоактивных изотопов, образующихся в газовом облаке, может растягиваться и на десятилетия.
Взрыв сверхновой звезды – одно из самых невероятных природных зрелищ, какие только может себе представить наш разум, но очень хорошо, что они не происходят слишком близко к нам. Образующееся при взрыве излучение может оказаться смертельным для многих, а то и для всех видов живых существ, населяющих планету. К счастью, массивные звезды, для которых предусматривается уход со сцены именно с такими пиротехническими эффектами, довольно редки и все они располагаются достаточно далеко.
Самая близкая к нам – звезда Бетельгейзе, видимая невооруженным глазом прямо над поясом Ориона. Это красный сверхгигант огромного диаметра, массой вдесятеро больше солнечной. Она настолько диспропорциональна, что, если бы мы поместили ее на место Солнца, она заняла бы Солнечную систему почти до орбиты Юпитера. Ее жизнь, очевидно, приближается к концу: предполагается, что ей остается не больше одного или, может быть, двух миллионов лет, после чего она взорвется – то еще будет зрелище. Она будет светить на ночном небе на протяжении нескольких месяцев, как полная Луна. Грандиозный фейерверк, который она при этом устроит, не должен представлять опасности для землян, если они все еще будут тут жить: к счастью, до нее почти шестьсот световых лет, и такое удаление позволит жителям Земли наслаждаться шоу в полной безопасности.
А чем закончит свою жизнь Солнце? Его размер слишком мал для катастрофического взрыва, и все же, когда наступит его последний час, оно устроит вполне достойный спектакль. По этому поводу можно было бы даже испытать беспокойство, если бы до предстоящего события не оставалось еще очень много времени. Проблем такого рода у нас не должно возникать еще долго, поскольку запаса водорода на Солнце хватит не меньше чем на пять или шесть миллиардов лет. Когда он закончится, начнутся реакции с участием более тяжелых элементов; в этот момент самое внутреннее ядро нагреется – и объем Солнца станет увеличиваться, пока оно не превратится в красный гигант. Размеры Солнца будут расти довольно быстро, из-за этого друг за другом испарятся Меркурий, Венера и Земля. Но даже это не должно нас сильно беспокоить: еще задолго до того, как случится что-то подобное, Солнце увеличит свою мощность примерно на 40 %, так что на Земле растают полярные ледяные шапки, а затем испарятся и все океаны. Никакая жизнь при этом уже не будет возможна.
Когда Солнцу наступит конец, оно сбросит самые внешние слои газа, которые превратятся в планетарную туманность. Неспешно выйдет из комы самое внутреннее ядро, и появится объект размером с Землю, чрезвычайно плотный, очень горячий и светящийся, – белый карлик, небольшая яркая звезда, состоящая исключительно из ядер полностью ионизованного углерода и кислорода. У нее появится непроницаемый электронный щит, достаточно плотный, чтобы предотвратить дальнейший гравитационный коллапс. Звезда будет продолжать остывать, возможно, в течение десятков миллиардов лет, пока не превратится в черный карлик, то есть инертный объект, не видимый ни для кого, лишенный каких-либо следов былого великолепия.
Очарование гаснущих звезд
Звезды, значительно превосходящие Солнце по размеру, при истощении запасов ядерного топлива превращаются в еще более экзотические объекты: если их масса больше солнечной в 10–30 раз, то образуются очень плотные нейтронные звезды – маленькие шары радиусом в десять-двадцать километров и массой, раза в полтора превосходящей солнечную.
Нейтронные звезды образуются, когда гравитационный коллапс настолько силен, что все ядра внутри звезды разбиваются на протоны и нейтроны. Электронный газ, защищающий от коллапса белые карлики, здесь мгновенно разрушается. Сила гравитации в таких массивных объектах настолько велика, что процесс сжатия вызывает реакцию захвата электронов протонами с превращением последних в нейтроны. Образуется чрезвычайно компактное тело чудовищной плотности, которое похоже на гигантское атомное ядро, целиком состоящее из нейтронов, плотно прижатых друг к другу сильным взаимодействием. Фрагмент вещества такой высокой плотности с массой, равной массе горы Эверест, уместился бы в чайной ложке.
Словно специально, чтобы усилить впечатление, эти маленькие шары вращаются вокруг своих осей с немыслимой скоростью. Известны нейтронные звезды, совершающие полный оборот за несколько тысячных долей секунды. На поверхностях этих звезд при скорости вращения в сотню оборотов в секунду достигается линейная скорость, превышающая пятьдесят тысяч километров в секунду.
Звезды раскручиваются до таких скоростей из-за чудовищного сжатия во время коллапса. Медленное, спокойное вращение родительской звезды вокруг собственной оси все больше нарастает из-за сохранения углового момента. Если исходный период измерялся неделями или месяцами, то при сокращении радиуса от миллионов километров до нескольких десятков частота увеличивается до сотен оборотов в секунду. Так фигуристка на льду, прижимая руки к груди, заметно увеличивает скорость своего вращения, делая спортивный элемент намного зрелищнее.
Кроме того, быстрое уменьшение размеров звезды из-за гравитационного коллапса приводит к колоссальному усилению магнитного поля. Те же самые силовые линии, что простирались на миллионы километров вокруг большой звезды, теперь теснятся вокруг компактного шарика, и их плотность вырастает как от взрыва. Нейтронные звезды окружены экстремальными магнитными полями, в миллиарды раз превышающими поля обычных звезд.
Если магнитные полюса нейтронной звезды оказываются далеко от ее оси вращения, электроны и позитроны, остающиеся свободными на поверхности звезды, движутся ускоренно по направлению к полюсам, отчего возникает мощный электромагнитный луч, вращающийся вместе со звездой. Если Земля попадает в конус излучения этой своего рода радиостанции, мы можем зарегистрировать импульсный радиосигнал, обладающий строгой периодичностью, будто где-то там идут этакие чрезвычайно точные часы или работает очень мощный маяк, излучающий радиоволны вместо света. Это значит, что мы открыли пульсар.
Сингулярность в черной дыре
Когда масса звезды действительно аномально велика и превышает тридцать солнечных, в результате коллапса появляется черная дыра. Даже нейтроны не могут противостоять силе тяжести и в конце концов разбиваются на куски; даже их элементарные компоненты сильно сжимаются, и вся их остаточная масса концентрируется в практически бесконечно малом объеме.
Внутри таких образований действуют законы физики, нам еще неизвестные, и они позволяют нам рассуждать о том, что в некой недоступной области пространства, соответствующей нескольким десяткам километров в диаметре, сконцентрировано вещество массой от пяти до пятидесяти солнечных масс.
То ли из-за скрытого намека на самый частый кошмар – бесконечное падение в бездну, то ли из-за пережитого нашими предками в далеком прошлом страха быть разорванными на части и съеденными дикими зверьми, но факт заключается в том, что всякое упоминание черных дыр немедленно вызывает рефлекторный панический ужас.
Еще несколько лет назад черные дыры интересовали лишь пару тысяч специалистов, которые обсуждали эту экзотическую тему на своих конференциях, совершенно не подозревая, что скоро случится взрыв интереса к ней.
Идее, что на нашем небосводе могут быть несветящиеся звезды, как минимум пара столетий. Первым человеком, выдвинувшим эту гипотезу в 1783 году, был преподобный Джон Мичелл, натурфилософ и великий ученый того времени. Основываясь на корпускулярной теории света, построенной Ньютоном, Мичелл предположил существование звезд настолько компактных и массивных, что их мощная гравитация навсегда задерживала бы излучаемый с поверхности свет. Его корпускулы вели бы себя как камни, брошенные вверх: выписывая параболические траектории, они неминуемо падали бы обратно.
Но эта идея Мичелла казалась настолько спекулятивной, что никто не принимал ее всерьез на протяжении почти всех этих двухсот лет. Первая зарегистрированная брешь в этой завесе молчания относится к 1916 году, тому самому, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности. В том же году Карл Шварцшильд, немецкий физик, служивший в то время в армии на русском фронте, командуя артиллерийской батареей, сумел написать и опубликовать статью, которая навсегда останется в истории. Очень скоро после публикации статьи Эйнштейна Шварцшильд смог, используя переход в довольно специфическую систему координат, найти точное решение уравнений, для которых сам Эйнштейн нашел только приближенные решения.
Новый подход Шварцшильда заключался в том, что пространство-время предполагалось сферически симметричным. Тогда для всякой массы можно было определить радиус (позже названный именем Шварцшильда), за которым рождалась сингулярность: если вся данная масса оказывалась сосредоточена внутри области пространства, ограниченной сферой этого радиуса, то кривизна пространства-времени оказывалась настолько велика, что даже фотоны не смогли бы ее покинуть. Решение было настолько странным, что ни Эйнштейн, ни сам Шварцшильд не осмелились ни написать, ни даже как-то представить, что за найденным математическим фактом может скрываться новый класс небесных тел.
Только в 1960-е годы, а точнее в 1967-м, американским физиком Джоном Уилером было придумано выражение “черная дыра”. Сам Уилер вкладывал в него изрядную долю иронии, но при этом был едва ли не первым, кто в полной мере осознал, что речь тут может идти о реальных астрономических объектах и что здесь открывается новое поле научного поиска. С тех пор изучение черных дыр и поиск всех возможных признаков, по которым можно судить об их присутствии, наложили глубокий отпечаток на современную астрофизику.