. Мы не можем отследить что-то более близкое к Большому взрыву.
Ну да ладно, черт с ним, что эти звезды такие плотные. Опустим момент, что внутри может быть что-то, что было ДО материи в нашем понимании. Важно вот что.
Фактически нейтронные звезды очень похожи знаете на что? На атомное ядро! Или на атом. Это же просто большая куча нейтронов! Ну да, во внешнем слое есть еще какие-то ядра, какие-то элементы. Но я все равно не могу отделаться от мысли, что во Вселенной есть атомы размером в десятки километров и мы считаем их звездами.
А как понять, получится из сверхновой черная дыра или нейтронная звезда? Где этот предел? А какие еще есть звездные пределы во Вселенной?
1.7. Предельно звездная глава
Пора поговорить про разные пределы в физике. Пока рассмотрим всего пять, так что запутаться, думаю, не успеем.
Поехали.
Первый предел нам очень хорошо знаком.
Предел Оппенгеймера – Волкова. Кажется, мы не обсуждали его, да? А это верхний предел массы, при которой невращающаяся нейтронная звезда еще не становится черной дырой, ну или минимальный предел массы черной дыры.
Так вот, если такая звезда будет хорошо кушать и набирать массу, то в какой-то момент верхние слои звезды просто упадут в нижние. Получится черная дыра.
Предел Оппенгеймера – Волкова долго корректировали, но по результатам последних наблюдений считается, что невращающаяся нейтронная звезда может еще оставаться звездой до двух с небольшим хвостиком солнечных масс.
До недавнего времени предельными значениями были 2–3 солнечные массы, но появилась более качественная гравитационно-волновая астрономия, и мы смогли скорректировать это значение до диапазона от 2,01 до 2,16 солнечных масс.
14 августа 2019 года было зафиксировано событие – слияние черной дыры с фиг пойми чем, имеющим массу в 2,62 солнечных. Была ли это легчайшая известная черная дыра или тяжелейшая известная нейтронная звезда – непонятно, но в любом случае что-то рекордное.
Почему я говорю, что с пределом Оппенгеймера – Волкова мы знакомы? Да потому, что это практически развитие идеи радиуса Шварцшильда. А эту историю я уже рассказывал. Это радиус, до которого надо что-то сжать, чтобы это что-то стало черной дырой.
Обратите внимание, условие этого предела – НЕВРАЩАЮЩАЯСЯ нейтронная звезда. У нас таких в природе нет просто потому, что, когда звезда превращается в нейтронную, она по закону сохранения момента импульса должна… барабанная дробь… сохранить момент импульса и начинает быстро вращаться. На этом месте многие научпоперы любят сравнивать нейтронную звезду с фигуристами. Когда они вращаются вокруг себя с раскинутыми руками-ногами, скажем так, вращение довольно медленное, но когда они вжимают конечности ближе к оси – вращение становится быстрее. Так же и период вращения нейтронных звезд, как правило, измеряется миллисекундами. Так вот, предел Оппенгеймера – Волкова для вращающихся нейтронных звезд может повышаться аж на 20 %!
Ладно, погнали дальше. Развиваем идею. Поговорили о том, как нейтронные звезды становятся черными дырами. А как получить саму нейтронную звезду? Тут есть другой предел…
Предел Чандрасекара. Он показывает нижний предел массы для нейтронной звезды. Все, что легче, уже может вдохнуть посвободнее и не выталкивать протоны и электроны. Это уже белые карлики. В зависимости от химического состава белого карлика, верхний предел его массы может быть от 1,38 до 1,44 солнечных масс.
Механизм тот же самый, что и в прошлый раз. Если звезда начинает набирать массу, то гравитация просто сжимает ее во что-то компактнее.
Представим страшное. Стоял себе дом и вдруг начал падать в себя же. То есть не так, как на тех картинках, где китайские дома-свечки прилегли отдохнуть плашмя, а прям когда дом в себя складывается, как карточный. Стенки ломаются, остаются кирпичи. А если кирпичей очень много, то нижние крошатся в песок.
Так вот, здесь дом был обычным белым карликом. Когда он стал грудой кирпичей – это мы уже про нейтронную звезду говорим. А песок – это та самая кварк-глюонная плазма.
Как-то так…
Из интересного скажу, что предел Чандрасекара – это не только ограничение по массе, но еще и, скажем так, показатель для астрономической калибровки. Давайте проще. Есть двойные звездные системы. Это такие, в которых две звезды крутятся вокруг друг друга. Часто в таких системах одна из звезд – белый карлик. Так вот, существуют такие точки, в которых гравитация этих тел уравновешена, – это точки Лагранжа. Первая точка Лагранжа – это такая точка между двумя телами, в которой гравитация обоих тел будет одинаково перетягивать что угодно, и это что угодно будет стабильно существовать в этой точке без всяких двигателей и не будет никуда падать. Если одна из звезд толстеет и перерастает первую точку Лагранжа, то ее вещество начинает падать на соседа. И этот сосед – белый карлик – начинает набирать массу. В какой-то момент он пересекает предел Чандрасекара и взрывается сверхновой определенного типа. И, как я уже говорил, по закону сохранения импульса с каким импульсом оболочка выбрасывается наружу, с тем же импульсом остатки вжимаются внутрь себя. Так и появляется нейтронная звезда.
Ну и раз уж мы знаем, что предел Чандрасекара – штука более или менее постоянная, то и взрывы примерно одинаковые у таких сверхновых. А раз взрывы одинаковые, то мы можем их считать чем-то стандартным. Так их и называют – стандартные свечи. Они не ограничиваются только такими сверхновыми из двойных систем, есть еще цефеиды и прочие свечки. Но сейчас мы говорим не о них.
А вообще Чандрасекар еще в одном пределе натоптал.
Предел Шенберга – Чандрасекара. Это предел массы ядра, которое не плавится, не меняет свою температуру и при этом выдерживает верхние слои звезды. Обычно его считают примерно в 10–15 % от массы всей звезды.
Если масса звездного ядра превышает этот предел, ядро начинает уплотняться само в себя по той же схеме, а звезду от такого количества энергии начинает распирать аж до красного гиганта.
Как это происходит? Все же помнят, что происходит в звездах? Термоядерная реакция. Синтез гелия из водорода в основном.
Так вот, из водорода появляется гелий. Гелий накапливается, водород теряется. В какой-то момент в ядре становится много гелия и мало водорода. Водород горит, а гелий плотнячком в ядре складывается. Представьте себе, что мы сложили дрова на костер и положили тополиный пух вокруг. Дрова – гелий, а пух – водород. Если поджечь пух, то получится, что он сгорит, а дрова останутся. Здесь у нас и включается гравитация. Свято место пусто не бывает, и то место, где был водород, теперь занимает гелий.
И тут есть два варианта. Если звезда была легонькой, примерно в полторы солнечные массы, то ядро становится вырожденным. Вырожденный газ – это газ, на который сильно влияет квантовая механика. Так получается, когда его частицы настолько плотно друг к другу находятся, что могут, скажем так, пересекаться друг с другом. Помните наши шарики и гантельки из физики и химии, когда мы говорили об электронах? Эти шарики и гантельки показывают, в какой области пространства мы можем найти нашу частицу. Даже не обязательно траектория движения, частица может шляться и где-то внутри этого шарика. Мы, конечно, говорили про электроны, но ничего не мешает нам свистнуть эту идею и немного расширить ее на частицы газа. Так вот, обычно наши шарики и гантельки находятся далеко друг от друга. А в случае вырожденного газа – пересекаются. И вот тут уже ее величество квантовая механика вступает в игру по полной.
Ну ладно, повторю: если звезда была легкой, то гелиевое ядро уплотняется настолько, что становится вырожденным и не достигает предела Шенберга – Чандрасекара. А вот если мы рассматриваем звезду потяжелее, раз в шесть тяжелее Солнца, то ядро коллапсирует. Коллапс – это то самое уплотнение и сжимание в само себя. В этот момент ядро сжимается так сильно, что теперь начинает гореть гелий. И здесь из гелия получается сначала бериллий, а потом уже углерод.
Разогнались мы аж до нуклеосинтеза. Так называется процесс создания ядер новых элементов. Собственно, все, что есть вокруг, произошло из водорода именно таким путем, плюс-минус.
Есть еще один предел.
Предел Эддингтона. Если в трех предыдущих случаях мы смотрели, как звезда уплотняется, так или иначе коллапсирует и падает сама в себя, то в случае эддингтоновского предела ситуация обратная.
Для того чтобы рассказать, что это за предел, важно уточнить, что у света есть давление. То есть, когда мы говорим, что нас на Солнышке придавило, – нас реально придавливает. Правда, не так сильно, как нам кажется, но придавливает. Если говорить конкретно, то давление солнечного света на Земле измеряется в микропаскалях. Атмосфера нас плющит примерно в десять миллиардов раз сильнее. Естественно, это давление увеличивается по мере приближения к источнику света, то есть на Меркурии давить будет чуток сильнее, раз в шесть, по подсчетам.
Ну а эддингтоновский предел показывает максимальную величину мощности внутреннего излучения звезды, при котором его давление будет выдавливать звезду наружу так же сильно, как гравитация будет ее скукоживать внутрь. То есть этот предел показывает максимально возможную светимость звезды, при которой между гравитационными силами и давлением света звезды на свои внешние слои будет более или менее равновесие.
Если звезда будет светить слишком мощно, то часть вещества улетучится. Это мы называем звездным ветром. Полярные сияния, магнитные бури, кометы – это все проявления превышения эддингтоновского предела.
Ну и в довесок есть еще…
Предел Хаяси. Здесь я совсем немного расскажу, потому что это почти как предел Эддингтона, только здесь равновесие удерживают давление плазмы и гравитации. И тут мы уже говорим не про мощность электромагнитного излучения, а про радиус звезды при заданной массе. В общем, как радиус Шварцшильда, только наоборот. Если превысить предел Хаяси, то гравитация перестанет удерживать верхние слои и звезда просто-напросто разлетится во все стороны.