Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

А что происходит в конце жизненного цикла звезды? Эддингтон полагал, что состарившиеся звезды становятся белыми карликами. Но тогда каким образом звезды остаются горячими, но столь слабо светящимися? Если удастся это объяснить, то станет ясна и конечная судьба звезд. Эддингтон попробовал составить вероятную цепь событий. При старении звезда излучает все меньше и меньше света, ее радиационное давление уже не уравновешивает силу тяжести, звезда сжимается и превращается в белый карлик. Однако возникает парадокс. Плотность белых карликов огромна, во много раз больше плотности самого плотного вещества на Земле. Для остывания плотность звезды должна уменьшаться до плотности вещества Земли, но оказалось, что звезды продолжают сжиматься и уплотняться. Звезды не остывают, хотя их светимость уменьшается. Может ли так продолжаться до бесконечности? Где же конец? Могут ли они сжаться до бесконечно малого объема? Вот как это представлял себе Эддингтон: «Казалось бы, звезда ставит себя в затруднительное положение. В конце концов запас ее энергии должен истощиться, и она остынет. Но возможно ли это? Звезда обрела огромную плотность благодаря высокой температуре, которая разрушила атомы. При охлаждении она должна увеличиться в объеме примерно в 5000 раз. Но расширение требует энергии — на выполнение работы против силы тяжести, а у звезды энергии больше не осталось. Что же, спрашивается, должно происходить в звезде, если она непрерывно теряет тепловую энергию, но не имеет достаточно энергии для остывания?»

Это было волнующей тайной. В книге «Внутреннее строение звезд» Эддингтон обходил стороной эту проблему, белые карлики оказались неприятным отклонением от теорий, описывающих структуры звезд, в значительной степени разработанных благодаря Эддингтону. Однако загадка белого карлика его не оставляла. В 1914 году он заявил, что невероятно высокая плотность Сириуса В «абсурдна». Но десять лет спустя он сформулировал свое соотношение масса — светимость и обнаружил, что законы идеального газа справедливы даже при высоких плотностях внутри карликовых звезд типа Солнца. Это заставило его предположить, что при значительно более высоких температурах внутри белых карликов все атомы могут быть полностью лишены электронов и в результате упакованы гораздо более плотно[22].

В январе 1924 года Эддингтон написал своему другу, астроному Уолтеру Адамсу, наблюдавшему Сириус В еще в 1914 году, что он «в последнее время развлекается сумасбродной идеей» и что «невероятная» плотность Сириуса В все же возможна. Он предложил проверить с использованием общей теории относительности Эйнштейна, действительно ли плотность белых карликов при их малом радиусе может быть столь высока.

Общая теория относительности предсказывает, что интенсивное гравитационное поле белого карлика влияет на длины волн излучаемого света. Сила тяжести на поверхности Сириуса В в 100 тысяч раз больше, чем на поверхности Земли, и это приводит к увеличению длины волны испускаемого атомами света. Длины волн смещаются в сторону красной части спектра; это явление называется «гравитационным красным смещением».

Разница в длинах волн света, испускаемых атомом вещества Сириуса В и тем же самым атомом на Земле, определяется дробью: масса Сириуса В, деленная на его радиус. Масса Сириуса В и его радиус к тому времени уже были рассчитаны. (Предполагая, что масса Сириуса В составляет 0,85 массы Солнца, астрофизики рассчитали его радиус по данным о его светимости и температуре.) Используя эти данные, Эддингтон получил величину красного смещения.