Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Рис. 12.3. Пути эволюции звезд и их зависимость от изначальной массы. Звезды средней массы становятся белыми карликами, а массивные звезды — либо нейтронными звездами, либо черными дырами. (Приводится с изменениями по источнику: Discovering the Universe, W. J. Kaufmann and N. F. Comins, 4th edition, W. H. Freeman [1996].)

Другие звезды средней массы

Звезды, которые значительно тяжелее Солнца (1,4–8 M_?), проходят через те же эволюционные фазы, что и солнцеподобные звезды, но с неожиданным поворотом. Находясь на главной последовательности, они точно так же синтезируют гелий из водорода, присутствующего в их ядрах. Однако у них в термоядерный синтез вовлекаются еще и доступные атомные ядра углерода, азота и кислорода, что ускоряет протекание реакций. Такие каталитические реакции требуют поддержания в ядре, где совершается термоядерный синтез, более высоких температур, и поэтому они могут протекать только в звездах с большей массой. Это так называемый CNO-цикл — он помогает более массивным звездам, находящимся на относительно стабильных стадиях главной последовательности, значительно увеличить их светимость.

Массивные звезды

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 большую 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