Академик Ландау. Как мы жили

Человеку, далёкому от физики, порой трудно пред— ставить, сколь фантастична и сколь неразрывна связь микро— и макромира — мира элементарных частиц и мира Вселенной. Достаточно вспомнить хотя бы тот факт, что открытие таких фундаментальных положений, как скорость света и закон всемирного тяготения, было основано на астрономических исследованиях Солнечной системы!

Поэтому неудивительно, что, когда пятьдесят лет назад учеником Резерфорда Дж. Чедвиком был открыт нейтрон, это произвело настоящую революцию в астрономии. Однако не будем торопиться…

Итак, было известно, что при облучении бериллия альфа-частицами радия получается излучение со странными свойствами, которое легко проходит через свинец и вызывает сильную ионизацию в водороде. В 1932 году удалось доказать, что оно состоит из нейтральных частиц с массой приблизительно такой же, как и масса атома водорода…

…Сохранился рассказ о том, как молодой (24 года) Лев Ландау, находившийся тогда в Дании у Нильса Бора, уже в день получения известия об открытии нейтрона сделал вывод о существовании нейтронных звёзд. Представьте себе Солнце, сжатое до размеров в 12 — 30 километров, Солнце, в котором почти все вещество превратилось в нейтроны, — это и есть нейтронная звезда.

На чем же основано замечательное предсказание? В 1932 году теория электронов уже была достаточно хорошо разработана. Учёные знали, что электроны могут двигаться с большими скоростями даже в том случае, когда температура низка. Если в каком-то объёме два электрона находятся в состоянии покоя, то уже следующая пара обязана двигаться с определённой энергией, следующая за ней — с ещё большей энергией и так далее. Короче, две пары не могут находиться в одинаковом состоянии — это фундаментальное свойство электронов, так называемый принцип запрета. Отсюда важнейшее следствие: в сжатом веществе обязательно должны присутствовать электроны с высокими энергиями. Если одну тонну вещества сжать в объём, равный одному кубическому сантиметру, то энергия электронов станет настолько большой, что их масса удвоится. Однако для этого понадобится давление в миллиард атмосфер.

В земных условиях подобное невозможно. Только звезда, такая, как Солнце, может после исчерпания ядерной энергии остыть и сжаться до размеров Земли. Но это ещё не нейтронная звезда, а лишь первый шаг на пути к ней. Такова теория звёзд-карликов, которую независимо развили Л.Д.Ландау и американский астрофизик С.Чандрасекар.

В февральский вечер 1932 года Ландау пошёл дальше. Он поставил вопрос о том, что произойдёт со звездой тяжелее солнца. Простой ответ: вещество сожмётся ещё сильнее, энергия электронов ещё увеличится. Принципиально новая идея Ландау состояла в том, что следствием этого обязательно должно быть ещё и превращение обычного вещества в нейтроны. Таким образом на последнем этапе эволюции должны рождаться нейтронные звезды. При массе больше массы Солнца плотность вещества такой звезды достигает сотен миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Более того, превращение обычной звезды в нейтронную, то есть сильнейшее сжатие звезды, согласно теории, сопровождается выделением огромнейшей энергии и сбрасыванием внешней оболочки звезды, другими словами — взрывом. Именно так теперь объясняется появление «сверхновых» звёзд, которые иногда — несколько раз за тысячу лет — вспыхивают так ярко, что видны даже на дневном небе. Упоминание об этом встречается в древних летописях.

Долгое время казалось, что вскоре после своего бурного рождения нейтронная звезда должна остыть и превратиться в мёртвое тело, не представляющее интереса для астронома-наблюдателя. Положение изменилось лишь в начале шестидесятых годов, когда советские теоретики начали целеустремлённый поиск методов обнаружения сверхплотных небесных тел, и в частности нейтронных звёзд.

Самый простой, но ненадёжный способ — обнаружить и следить за движением обычной звезды, рядом с которой находится сверхплотная. Можно, конечно, определить массу второй звезды, но трудно доказать, что она действительно сверхплотная. Но есть и другая идея. Нейтронная звезда после своего образования ещё настолько горяча (температура поверхности достигает миллионов градусов), что должна обязательно испускать рентгеновские лучи. Однако она остывает быстро, за несколько месяцев, и становится невидимой. Значит, надо искать такое излучение или сигналы, которые продолжались бы многие тысячи лет.

В 1967 году были открыты пульсаторы — своеобразные источники пульсирующего, периодически меняющегося радиоизлучения. Сейчас можно утверждать: пульсары — это не что иное, как нейтронные звезды. Так подтвердилось блестящее предсказание Ландау. Однако, как часто это бывает в науке, задача постепенно обрастала все новыми и новыми сложностями. Например, поначалу думали, что нейтронная звезда — некий «спокойный», то есть невращающийся шар, который к тому же и не имеет магнитного поля. А ведь оказалось, именно эти два её свойства, написанные нами с частицей «не», ответственны за радиоизлучение, которое удаётся наблюдать.