Естественные науки

Как умирают звёзды. Часть 2: Перерождение

смерть звезды

NASA images / bigstock.com

Мы решили попросить некоторых увлеченных студентов и молодых исследователей поделиться с нами, что они изучают. Вторую серию лекций для нас читает магистр кафедры теоретической физики ЯрГУ им. П.Г. Демидова Александр Сабитов. Он рассказал нам о последних этапах существования звёзд и о том, как «после смерти» они перерождаются в другие космические объекты.


Сверхновая

Звёздам в принципе выгодно рождаться не по одной, а по двое или даже по трое. Вот есть протопланетное облако — это просто куча газа, которая со временем начинает как-то сама по себе сжиматься. И ему выгодно изначально разделиться на куски, потому что так выше вероятность того, что они уцелеют, ведь они скомпенсируют вращение друг друга. Такие одиночные звёзды, как наше Солнце, на самом деле являются достаточно редкими объектами.

Очень часто бывает, что в этих двойных системах одна звезда прошла свой жизненный цикл раньше другой и стала белым карликом. И этот белый карлик, как грабитель на большой дороге, начинает перетягивать на себя вещество с соседней звезды. Это явление называется аккреция. Вокруг него образуется аккреционный диск. И если этого вещества на звезду упадёт достаточно много, то запустится термоядерная реакция, звезда взорвётся и произойдёт вспышка сверхновой.

Причём в данном случае это будет вспышка сверхновой типа 1а. Она примечательна тем, что является «откалиброванной по массе». Еще это называют стандартными космологическими свечами. По ним очень хорошо определяется расстояние до объекта. Это очень важно в космологии, потому что разные методы определения расстояния работают на разных масштабах, и для многих из них эти масштабы оказываются недостаточно большими, а по сверхновым можно измерить расстояние на очень большой дальности, вплоть до расстояния между галактиками.

Нейтронная звезда

Здесь-то мы и коснемся белых карликов. Но представим сперва, что изначально звезда была тяжёлой, и её эволюция пошла чуть дальше. В таком случае, когда она начнёт схлопываться, то давление электронного газа окажется недостаточным, чтобы остановить этот процесс, так что она будет схлопываться дальше. И она сожмётся до размеров равным 11 км (для сравнения: белые карлики обычно по размерам близки к размерам Земли, то есть в 1000 раз больше). При этом их масса будет той же самой массой огромной звезды, массой нескольких наших Солнц.

Этот объект получается настолько плотный, что его  вещество состоит из нейтронов. Поэтому он и называется нейтронной звёздой. Связано это с тем, что, грубо говоря, электроны вдавились в протоны и получились нейтроны. И там снова действует эффект, связанный с тем, что нейтроны — это фермионы, которые не хотят дальше сближаться и препятствуют дальнейшему схлопыванию.

При этом плотность в центре нейтронной звезды получается больше, чем плотность ядра обычного атома. Там вещество находится в таком состоянии, что рождаются частицы, которые появлялись только на ранних этапах развития Вселенной. И мы даже не можем описать ядра нейтронных звёзд, потому что наши расчёты дают нам в их отношении только бесконечности и нули.

Нейтронные звёзды интересны тем, что в них могут существовать невероятно мощные магнитные поля. Поэтому белые карлики и нейтронные звёзды представляют собой для физиков и астрофизиков бесплатные космические лаборатории для исследования условий, которые на Земле создать невозможно. Грубо говоря, на Земле мы можем создать поле величиной 104Гс, а в магнитарах — это нейтронные звёзды с очень большим полем — 1016Гс. А нейтронные звёзды представляют собой, условно говоря, огромный сверхплотный, сверхпроводимый, сверхтекучий вращающийся «кристалл» с огромным магнитным полем. И по определённым косвенным параметрам мы можем изучать, как там ведут себя частицы. В астрофизике ты никогда ничего не можешь потрогать и должен пытаться понять, как то или иное явление будет рождать наблюдаемые эффекты, которые можно посмотреть с Земли.

Причём если белые карлики ещё можно описывать с помощью ньютоновской физики, то для описания нейтронных звёзд уже нужно использовать общую теорию относительности, разработанную Эйнштейном. Связано это с таким параметром, как гравитационный радиус — это радиус, который будет у объекта, если его превратить в чёрную дыру. Для Солнца, например, гравитационный радиус составляет несколько метров, и, так как размеры Солнца гораздо больше этого радиуса, для него можно использовать обычную ньютоновскую физику. У нейтронной звезды гравитационный радиус будет составлять, например, 4 километра, а её радиус – 11 километров, и тут уже нельзя обычной физикой пользоваться.

Чёрная дыра

Наконец, если изначальная звезда была очень тяжёлой, и цикл термоядерного синтеза дошёл до железа, тогда уже ничего не может остановить процесс схлопывания, и в его результате образуется чёрная дыра. А чёрные дыры — это очень странные объекты, о которых мы очень мало знаем, потому что вся их физическая суть от нас скрыта гравитационным радиусом, из которого не может выйти никакая информация, потому что его не может покинуть даже свет. Мы их видим только по косвенным признакам: например, по тому, как они искажают движение объектов вокруг них.

Все чёрные дыры условно делятся на два класса: чёрные дыры звёздных масс и сверхмассивные чёрные дыры, масса которых составляет сотни или тысячи масс Солнца. Сверхмассивные чёрные дыры образуются в ядрах галактик, причём нам пока неизвестно как. Раньше их называли квазарами и думали, что это активное ядро галактики, а потом обнаружили, что это гигантская чёрная дыра разрывает звёзды, и вокруг неё образуется аккреционный диск, который даёт рентгеновское излучение. Поскольку свет не покидает такие объекты, выглядит это, как будто звёзды двигаются вокруг пустого места.

Проблема в том, что чёрные дыры для нас являются математически сложными объектами, поскольку само понятие «чёрная дыра» связано с сингулярностью, делением на ноль и бесконечность. Так что, в общем, мы пока не знаем, как с ними работать. Математически вовсе получается, что за гравитационным радиусом, за горизонтом событий, который не покидает свет, вещество просто сжалось в точку.

REDPIXEL.PL./ bigstock.com

REDPIXEL.PL ./ bigstock.com

Формально чёрные дыры способны испаряться. После большого взрыва образовались сначала первичные чёрные дыры, которые были очень маленькими. Для них работал так называемый механизм Хокинга, по которому на границе гравитационного поля чёрных дыр, вне горизонта событий, могут рождаться частицы и античастицы. Вот они-то могут покинуть гравитационное поле. Это называется бурлением вакуума: формально вакуум не пустой — в нем постоянно рождаются и умирают частицы, и это ничему не противоречит.

Но если в вакууме рождается частица, то на это тратится энергия самого вакуума. Соответственно, когда в гравитационном поле рождаются частицы, тратится энергия этого гравитационного поля. Согласно постулату Эйнштейна о том, что масса и энергия эквиваленты, затрата энергии гравитационного поля выливается в затрату массы чёрной дыры. Первичные чёрные дыры были очень лёгкие, и масса у них терялась очень быстро, так что считается, что они все испарились. А большие чёрные дыры испаряются очень медленно, поэтому для них этот механизм практически неверен. Проблема, правда, в том, что мы не можем всё это померить.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рассказать друзьям

0 Комментариев

Подписаться на рассылку

Комментарии

Войти с помощью 

Присоединяйтесь к нам в социальных сетях

В наших группах вы можете узнать много нового и интересного, а так же - принять участие в опросах и конкурсах

Присоединиться
Присоединиться