Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

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.

Однако странности белого карлика не заканчиваются его металлическими свойствами и поразительно высокой плотностью. Когда атомы так тесно прижаты друг к другу, начинают проявляться причудливые квантовые эффекты. Согласно принципу запрета Паули, никакие две частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это означает, что никакие два электрона в белом карлике не могут обладать одинаковой энергией, поэтому энергии электронов и соответствующие давления зависят только от плотности остатка звезды — температура больше не играет в поддержании повышенного давления никакой роли. Это необычное явление — вырождение электронов — удерживает белого карлика от дальнейшего коллапса.

Представьте себе обычную звезду. Если к ней добавится масса, то повысится центральное давление, соответственно возрастут температура и светимость, и звезда расширится. Так ведут себя звезды главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга — Рессела. Такие звезды с большей массой и соответствующей светимостью (Спика, Вега, Сириус) значительно крупнее своих собратьев с меньшей массой (Солнце, звезда Барнарда) (рис. 7.6). Однако в белом карлике добавление вещества приводит к тому, что остаток становится меньше! Добавленное вещество не увеличивает ни внутреннее давление, ни соответствующую температуру — и он сжимается под собственной тяжестью. Конечно, такому поведению есть предел, когда накапливается достаточно массы, чтобы сформировать остаток с практически нулевым радиусом. В 1930 году великий индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар подсчитал, что предельная масса будет ровно в 1,4 раза превышать массу Солнца. Как показали наблюдения, расчетные массы белых карликов варьируются от 0,17 до 1,33 M_?, что, по всей видимости, подтверждает этот предел. Масса большинства белых карликов составляет 0,5–0,7 M_?. Если же масса звездного ядра превышает предел Чандрасекара, ему суждено образовать нечто совершенно иное, и мы поговорим об этом чуть позже.

Может быть, белые карлики и малы, но время от времени они способны затмить своих звездных родственников огромными показателями других величин. Поскольку их звездные массы сосредоточены в формах планетарного размера, их поверхностная гравитация необычайно высока — она в миллиард с лишним раз превышает поверхностную гравитацию Земли. Все, что упадет на поверхность белого карлика, произведет большой взрыв. Именно это случается, когда белый карлик находится в тесной двойной звездной системе. По мере того как звезда-спутник превращается в красного гиганта, ее внешняя атмосфера подпадает под гравитационное воздействие белого карлика, затем вещество от несчастного гиганта обтекает белого карлика и проникает на его поверхность. Вещества становится все больше, и в какой-то критический момент, по достижении пороговых значений массы и плотности, на поверхности белого карлика начинается неконтролируемая цепная термоядерная реакция. Этот бушующий пожар звездных масштабов был отождествлен с «новой звездой», феноменом, при котором яркость звезды-спутника внезапно возрастает минимум в 10 000 раз, а максимум — в 16 миллионов раз (на 10–18 звездных величин). Теперь мы знаем, что это — разительно заблиставший белый карлик, невидимый в иных условиях. В Млечном Пути ежегодно наблюдается около десяти «новых звезд», причем примерно одну из них можно заметить невооруженным глазом.