Белые карлики - Вселенная - От плоской Земли до квазаров

Вселенная

От плоской Земли до квазаров
Главная


Земля


Солнечная система


Звезды


Галактика


Размеры Галактики


Другие галактики


Возраст Земли


Энергия Солнца


Типы звезд


Эволюция звезд


Взрывы звезд


Эволюция галактик


Удаляющиеся галактики


Наблюдаемая Вселенная


Начало Вселенной


Бомбардировка частицами


Фотоны большой энергии


Радиоастрономия


Окраины Вселенной



Белые карлики

Сведения о горячих, но слабых звездах начали накапливаться с 1844 г., когда Бессель открыл спутник Сириуса. Сириус и его спутник обращаются по эллиптическим орбитам вокруг общего центра тяжести с периодом в 50 лет. Сириус поэтому иногда называют «Сириус А», подчеркивая этим, что он входит в состав двойной системы, а его маленький спутник называют «Сириус В».
Любой объект, способный заставить такую звезду, как Сириус, двигаться по видимой с Земли орбите, должен и сам обладать тяготением, сравнимым с тяготением звезды. Собственно говоря, расчеты показывают, что масса спутника Сириуса должна быть равна половине массы самого Сириуса и, следовательно, примерно равна массе нашего Солнца. И все же Сириус В невидим, почему Бессель и счел его остатком догоревшей звезды.
В том же году Бессель открыл такой же темный спутник у Проциона, так что появились Процион А и Процион В. Можно было предположить, что такие слабые звезды — явление весьма обычное. Считалось, что они не видны лишь из-за их очень уж слабого света и что обнаружить их можно, только если они входят в двойную или еще более сложную систему и если их тяготение воздействует на движение видимой звезды в достаточной степени для того, чтобы это воздействие можно было заметить с Земли.
В конце концов оказалось, что и спутник Сириуса, и спутник Проциона не совсем темны. В 1862 г. А. Кларк увидел Сириус В — звезду с величиной 7,1. Конечно, это не такая уж слабая звезда, но ведь система Сириуса находится от нас на расстоянии всего в 8,8 светового года. Чтобы выглядеть на таком расстоянии как звезда 7-й величины, Сириус В должен иметь светимость, по меньшей мере в 100 раз уступающую светимости нашего Солнца. В 1895 г. американский астроном немецкого происхождения Джон Мартин Шеберле (1853—1924) обнаружил Процион В; он оказался звездой только 11-й величины. Даже с учетом того, что Процион В находится от нас несколько дальше, чем Сириус В, он должен был оказаться еще слабее последнего. Такие звезды могли и не быть совершенно темными, но вот карликами они были наверняка!
В начале века считалось само собой разумеющимся, что звезды типа Сириуса В и Проциона В — звезды умирающие, и слабость их света объясняется в первую очередь тем, что они уже угасают. Казалось бы, таким звездам самое место среди красных карликов, в самом нижнем конце главной последовательности.
Однако при разработке диаграммы Герцшпрунга — Рессела стало совершенно ясно, что Сириус В, например, никак в нее не укладывается. Чтобы оказаться в нижнем конце главной последовательности, звезда должна быть очень холодной и, следовательно, иметь темно-красный цвет. Но Сириус В красным не был. Он светил отчетливым белым светом. Если он и был карликом, то белым карликом.
В 1914 г. американский астроном Уолтер Сидней Адаме (1876—1956) получил спектр Сириуса В и обнаружил, что он принадлежит к классу А, как и сам Сириус А. Это означало, что температура поверхности Сириуса В не ниже, чем у Сириуса А (т. е. 10 000°С) и значительно выше температуры поверхности Солнца, составляющей только 6000°.
Но если Сириус В горячее Солнца, каждый квадратный километр его поверхности должен обладать большей яркостью, чем квадратный километр поверхности Солнца. Тот факт, что светимость Сириуса В была настолько ниже светимости Солнца, мог означать только одно-квадратных километров поверхности у Сириуса В было очень мало. Это была раскаленная добела, но очень маленькая звезда: как раз такая, какую можно было ожидать в нижней левой области диаграммы Герцшпрунга — Рессела, области, которую я упомянул в конце предыдущей главы.
Судя по всему, Сириус В не мог не быть просто крохотным. При такой малой светимости он не мог иметь диаметр больше 27 000 км и размерами не превосходил планету Уран. Это был настоящий белый карлик.
Но при этом масса его не уступала массе Солнца! Она была определена по тому влиянию, которое тяготение Сириуса В оказывало на Сириус А, и опровергнуть этот факт было невозможно. Однако если звезда величиной с Уран обладала массой Солнца, это сразу порождало серьезные проблемы, связанные с ее плотностью, — проблемы, которые в XIX в. оказались бы неразрешимыми. Но в XX в. их уже можно было разрешить.
Собственно говоря, проблема плотности звезд была связана не только с такими необычными звездами, как Сириус В, но и с нашим собственным Солнцем.
Как только стало известно расстояние до Солнца, было уже нетрудно по его видимому диаметру вычислить его истинный диаметр, а следовательно, и объем Объем Солнца, как оказалось, превышал объем Земли в 1 300 000 раз. Его масса, определенная по той силе, с которой оно притягивало Землю, была больше массы Земли в 333 500 раз.
Плотность исследуемого объекта можно определить, разделив его массу на объем Таким образом, плотность Солнца составляет чуть больше четверти плотности Земли. Плотность Земли равна 5,5 г/см3, и, следовательно, плотность Солнца равна 1,41 г/см3.
Плотность воды составляет 1,00 г/см3, и, значит, плотность Солнца в 1,41 раза больше плотности воды. Но это средняя цифра. Разумеется, плотность внешних слоев Солнца должна быть значительно ниже, а плотность его ядра (находящегося под чудовищным давлением этих внешних слоев)—значительно выше 1,41 г/см3.
То же относится и к плотности Земли. Как я уже говорил, средняя плотность Земли равна 5,5 г/см3, но кора, состоящая из каменных пород, имеет плотность только 2,6 г/см3, а к центру Земли плотность повышается до 11,5 г/см3.

Плотность Солнца должна меняться гораздо сильнее, чем плотность Земли, потому что в центре огромного Солнца давление несравненно больше, чем в центре относительно небольшой Земли.
Когда Эддингтон начал исследовать внутреннее строение Солнца и других звезд, значения, которые он получил для плотности их центральных областей, оказались невероятно высокими. Согласно расчетам, существующее на Солнце равновесие между тяготением и температурой может сохраняться только при условии, что плотность в его центре достигает или даже превосходит 100 г/см3. Это в 5 раз больше плотности платины или сходных с ней элементов иридия и осмия — веществ, обладающих наивысшей известной на Земле плотностью.
Звезды, которые больше и горячее Солнца, обладают меньшей плотностью, а гиганты вроде Эпсилона Возничего и совсем разрежены, но звезды, которые меньше и слабее Солнца, имеют более высокую плотность. Красный карлик, известный под названием звезды Крюгер 60 В, обладает массой в 5 раз меньше массы Солнца. Однако его объем составляет 1/125 объема Солнца, а плотность равна 1/5: 1/125 плотности Солнца, т.е. превышает ее в 25 раз. Следовательно, его средняя плотность должна составлять 35 г/см3, что в полтора раза больше плотности платины, а плотность его центральных областей должна превосходить плотность платины в сотни раз.
В первые десятилетия XX в эти цифры не были известны, но уже предполагалось, что они окажутся очень высокими, и была выдвинута вполне естественная гипотеза, что газ во внутренних областях звезд должен быть сжат до той степени, когда он перестает вести себя как настоящий газ. Все теории относительно источников звездной энергии и эволюции звезд исходили из представления о негазовом ядре — и все оказались неверными.
Исследования Эддингтона в 20-х годах нашего века показали, что все звезды вплоть до красных карликов, несмотря на свою плотность, ведут себя так, словно полностью состоят из газа, в частности следуют соотношению масса — светимость, которое опирается на исходное предположение о чисто газовом строении звезд.

Но каким образом вещества со столь высокой плотностью могут вести себя так, словно это разреженные газы? Более того, как вообще могут существовать вещества со столь высокой плотностью? Если бы химики XIX в. были правы и атомы действительно представляли бы собой крохотные твердые бильярдные шарики, не поддающиеся ни разрушению, ни сжатию, то эти высокие плотности были бы невозможны. У обыкновенных твердых тел на Земле такие атомы уже соприкасаются, и плотность металлов типа платины очень близка к максимальной.
Однако начиная с 90-х годов XIX в все представления о строении атомов пришлось пересматривать заново. Становилось все яснее и яснее, что атомы — вовсе не безликие шарики, а сложные структуры, слагающиеся из субатомных частиц, каждая из которых, взятая в отдельности, была несравненно меньше целого атома. Если весь атом имел диаметр порядка одной стомиллионной сантиметра, то диаметр субатомных частиц был близок к одной десятитриллионной сантиметра. Попробуем выразить это более доступным образом: субатомная частица в сто тысяч раз меньше целого атома — потребовалось бы положить рядом сто тысяч субатомных частиц, чтобы получить длину диаметра одного атома.
Объем атома в 100 000 X 100 000 X 100 000, т. е. в 1000 000 000 000 000 раз больше объема одной субатомной частицы. Поскольку даже самый сложный атом со держит лишь немногим больше 300 субатомных частиц, легко понять, что этот атом в основном состоит из пустоты и сохраняет свою чрезвычайно разреженную структуру только благодаря электромагнитным силам, которые заставляют несколько электронов двигаться в пустом пространстве вокруг крохотного ядра в центре атома Если бы атом можно было разбить на отдельные субатомные частицы и сжать их вместе, вся система заняла бы лишь крохотную часть своего прежнего объема (для аналогии представьте себе, сколько места займет десяток картонных коробок, а потом вообразите, что их разорвали в мелкие клочки, и прикиньте, сколько места они займут после этого, для атома же это соотношение несравненно больше).

При высоких температурах атом лишается своих внешних частиц — электронов. Если температура становится достаточно высокой (а в центре звезды она, несомненно, очень высока), все атомы лишаются своих электронов и остаются одни атомные ядра. Под действием гигантского давления, существующего во внутренних областях звезды, электроны и атомные ядра могут быть сжаты в несравненно меньший объем, чем тот, который занимали бы первоначальные атомы. С уменьшением же объема плотность соответственно увеличивается, во много раз превосходя плотность платины.
Такие массы притиснутых друг к другу субатомных частиц обычно называют вырожденным веществом. Нет никаких сомнений в том, что в центре Солнца, да и всех остальных звезд находится ядро из вырожденного вещества. И это логично. В неповрежденных атомах внешние электроны со всех сторон защищают атомные ядра, препятствуя их прямому столкновению и соединению друг с другом. И только когда ядра совершенно лишены электронов, соединение ядер может происходить с быстротой, достаточной для поддержания излучения звезды.
Далее, хотя вырожденное вещество и сжато до невероятно высоких плотностей, отдельные составляющие его частицы настолько малы, что оно все же представляет собой практически пустоту. Оно в действительности столь же близко к пустоте, как и гораздо менее плотные обычные тела, состоящие из намного более громоздких атомов. Вот почему вырожденное вещество может обладать невероятно высокими плотностями и все же вести себя как газ.
Однако плотности даже красных карликов ничтожны в сравнении с плотностями белых карликов. Сириус В, по объему равный Урану, а по массе — Солнцу, должен иметь плотность, в 125 000 раз превосходящую плотность Солнца или в 8000 раз превосходящую плотность платины. Кубический сантиметр вещества Сириуса В средней плотности весил бы 200 кг. Плотность центральных областей Сириуса В должна быть намного выше этой средней плотности, хотя и она очень высока, и тем не менее Сириус В тоже, по-видимому, ведет себя так, словно он состоит только из газа.

Совершенно очевидно, что Сириус В состоит почти исключительно из вырожденного вещества. Это было трудно осознать даже в 20-х годах нашего века, однако имеются косвенные данные, подтверждающие этот факт. В 1915 г. Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности; согласно одному из ее выводов, если свет будет двигаться против силы тяготения, он должен испытывать красное смещение. Эта теория доказывала, что обычные поля тяготения вызывают неизмеримо малое красное смещение. В то время когда Эйнштейн выдвинул свою теорию, он не знал, что достаточно мощное поле тяготения может существовать на самом деле.
Эддингтон указал, что если Сириус В действительно обладает такой плотностью, какую дают расчеты, то сила тяжести на его поверхности должна превосходить силу тяжести на поверхности Солнца в 2500 раз. В таких условиях эйнштейновское смещение должно было стать измеримым. В 1925 г. Адамс еще тщательнее исследовал спектр Сириуса В, измерив положение различных спектральных линий с учетом лучевой скорости звезды, и эйнштейновское смещение было действительно обнаружено. Это было важным доказательством справедливости общей теории относительности. Кроме того, это было важным доказательством сверхвысокой плотности Сириуса В.
Сириус В — отнюдь не исключительное явление. Известны и другие сверхплотные белые карлики. К ним, разумеется, принадлежит Процион В, масса которого равна 0,65 массы Солнца. Всего таких звезд было открыто не менее сотни, и многие из них открыл американский астроном голландского происхождения Вильям Якоб Лейтен (род. в 1899 г.). В 1962 г. он обнаружил белый карлик, диаметр которого вдвое меньше диаметра Луны, — это самый маленький из ныне известных белых карликов.
Сотни белых карликов — это как будто не очень внушительное число по сравнению с миллиардами обычных звезд. Но не забывайте, как они малы и слабы. Их можно увидеть, только если они находятся очень близко от нас, в то время как обычные звезды часто бывают видны на колоссальных космических расстояниях. И если, несмотря на слабость их света, было открыто столько белых карликов, это, несомненно, означает, что они должны быть чрезвычайно распространены. По некоторым подсчетам они составляют целых 3% всех звезд Галактики, откуда следует, что всего в Галактике имеется около трех миллиардов белых карликов.
А теперь вернемся к вопросу, поставленному в конце предыдущей главы. Значит, звезды, исчерпавшие свое ядерное топливо, приближаются к стадии белого карлика и достигают нижнего левого угла диаграммы Герцшпрунга—Рессела? По-видимому, да, но всегда ли этот переход бывает спокойным и мирным?

 
< Пред.