Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Считается, что разделительная линия между звездами средней массы и массивными звездами пролегает на отметке примерно в 8 масс Солнца. Если этот порог превышен, то термоядерный синтез в ядре звезды, идущий на всем протяжении ее жизни, может выйти за рамки последовательности превращения водорода в гелий, гелия в углерод, а углерода — в кислород, свойственной звездам средней массы. У массивных звезд (8–120 M_⊙) температура ядра может настолько возрасти, что кислород начнет превращаться в кремний, а кремний — в железо, а попутно звезда раздуется и станет сверхгигантом, размер которого может превышать протяженность орбиты Сатурна. После синтеза гелия в углерод, кислород и неон звезда примерно за сутки преобразует эти элементы в кремний, затем в железо — и все заканчивается.

Атомное ядро железа обладает большей (отрицательной) энергией связи, чем все остальные элементы. Синтез таких атомных ядер в более тяжелые потребовал бы дополнительной (положительной) энергии для запуска реакции. Подобные эндотермические реакции хорошо протекают при наличии удобного источника энергии — в пример можно привести, скажем, солнечный свет, при участии которого идет фотосинтез. Однако в ядрах звезд нет запаса энергии для воспламенения железа — и под воздействием гравитации бездействующее ядро коллапсирует менее чем за секунду, а в результате высвобождения гравитационной энергии в остальной части звезды происходит колоссальный взрыв.

Когда массивная звезда превращается в сверхновую, она может затмить по блеску всю свою галактику. По прошествии от нескольких недель до нескольких лет сверхновая потускнеет и будет едва различима. Вещество, выброшенное ею в космос, образует остаток сверхновой, содержащий все тяжелые элементы, созданные в ней до взрыва и при его совершении. А мы, безусловно, должны быть благодарны таким звездным взрывам за бо́льшую часть периодической таблицы химических элементов.

О том, что происходит с остатками ядер массивных звезд после коллапса, мы поговорим в следующей главе.

13. Загадки материи и энергии

Есть многое на свете, друг Горацио, Что и не снилось нашим мудрецам.

Уильям Шекспир. Гамлет

Среди бесчисленных чудес планетарного, звездного и галактического происхождения скрыты еще более таинственные и причудливые явления. Невероятно плотные крупицы вещества, едва колеблющиеся волны пространства-времени, призрачные проявления темной материи и темной энергии — космос все так же манит величайшие умы и ускользает от них. К загадкам материи и энергии относятся белые карлики, нейтронные звезды, пульсары — и, конечно же, как звездные, так и галактические черные дыры. Мы знаем, что нейтронные звезды существуют, поскольку наблюдали их в центрах остатков сверхновых — часто в облике пульсаров. Также мы достаточно уверены в существовании звездных черных дыр, поскольку нам удалось обнаружить обычные звезды в тесных двойных парах с невидимыми объектами соответствующей массы. И более того, в 2015 году мы впервые зафиксировали гравитационные волны, вызванные столкновением двух черных дыр звездной массы. Вслед за этими долгожданными «отпечатками» колеблющегося пространства-времени мы в 2017 году уловили гравитационные волны от двух столкнувшихся нейтронных звезд. Недавние успехи специалистов в гравитационно-волновой астрономии резко контрастируют с продолжающимися неудачами физиков, которые пытаются понять природу темной материи и темной энергии. Имеются веские доказательства того, что обе эти формы материи-энергии пронизывают космос. Мы просто пока не знаем, что заключает их в себе.

Белые карлики

В предыдущей главе мы говорили, что звезды средней массы (0,8–8 M_⊙) последовательно превращают водород в гелий, гелий — в углерод, а углерод — в кислород. Дальнейшие реакции термоядерного синтеза требуют наличия в центре звезды более высоких температур, чем те, что достижимы при этих звездных массах. Поэтому реакции термоядерного синтеза в конце концов прекращаются — и ядро, в котором некогда шел этот синтез, сжимается под собственной тяжестью, отчего возникает удивительно красивый углеродно- кислородный самородок с массой Солнца, но размером с Землю. Он «металличен» в том смысле, что кристаллизованные атомные ядра окружены электронами проводимости, и при плотности в миллион граммов на кубический сантиметр белый карлик плотнее всего, что мы можем изготовить в лаборатории. Более того, чайная ложка его вещества имела бы такую же массу, как автомобиль среднего размера.