Космос. Прошлое, настоящее, будущее

Судьба сжимающегося звездного ядра зависит от его массы. Если масса не более полутора солнечных, то сжатие остановится на стадии белого карлика, когда взаимное отталкивание электронов, связанное с их квантовой природой, уравновесит силу гравитации. Размер белого карлика при этом окажется близок к размеру Земли. Отметим, что взаимное отталкивание электронов в плотном веществе белого карлика обусловлено отнюдь не их отрицательным электрическим зарядом (который уравновешивается положительным зарядом протонов), а квантово-механическим эффектом «вырождения» электронного газа, который при большой плотности начинает сопротивляться сжатию в силу принципа запрета Паули. Этот принцип обычно формулируют так: в пределах одной квантовой системы, в данном квантовом состоянии, может находиться только один фермион (т. е. частица с полуцелым спином), а состояние другого фермиона должно отличаться хотя бы одним квантовым числом (например, положением в пространстве или импульсом). Электроны – это фермионы, поэтому чем ближе частицы друг к другу, тем активнее они движутся, увеличивая давление вещества.

Если масса звездного ядра больше полутора солнечных, то электронам не справиться с гравитацией, и сжатие будет происходить до тех пор, пока протоны и электроны не превратятся в нейтроны, и тогда уже давление, вызванное взаимным отталкиванием нейтронов (они ведь тоже фермионы!), может остановить сжатие. Такие объекты называют нейтронными звездами, хотя в прямом смысле слова никакие они не звезды, а просто сверхплотные тела размером в несколько десятков километров, в основном состоящие из вырожденного нейтронного газа.

Но если масса звездного ядра была более трех масс Солнца, то его сжатие не остановится даже на стадии нейтронной звезды, а будет происходить до тех пор, пока объект не достигнет своего гравитационного радиуса, т. е. пока он не станет черной дырой. Из-за чрезвычайно малого размера – всего несколько километров – и отсутствия физической поверхности черные дыры пока не поддаются прямому изучению, но в их существовании астрофизики уверены. Зато белые карлики и нейтронные звезды изучаются очень активно, поскольку ярко себя проявляют и дают бесценный материал для физики. Никогда в земных лабораториях мы не сможем получить и изучить вещество с такой плотностью, как в недрах белых карликов (десятки тонн в кубическом сантиметре!) или нейтронных звезд (десятки миллионов тонн в кубическом сантиметре!!!). Только в космосе мы встречаем такое плотное вещество и, даже не касаясь его, дистанционно много можем узнать о его природе.

С вырожденными телами, т. е. с белыми карликами и нейтронными звездами, а также с черными дырами связаны самые грандиозные явления природы – взрывы новых и сверхновых, гамма-всплески и др.

Новые и сверхновые звезды

Новыми называют звезды, неожиданно, всего за несколько часов увеличивающие свой блеск в тысячи и даже миллионы раз (в среднем на 12^m), а затем в течение нескольких недель тускнеющие и возвращающиеся к своему исходному блеску. Название «новая» (лат. nova) отражает старинное представление о том, что на небе в этот момент возникает не существовавшая ранее звезда. В действительности явление новой связано со звездами большого возраста, практически закончившими свою эволюцию. Это явление возникает в тесных двойных системах, где один из компонентов – белый карлик. На определенном этапе эволюции таких систем вещество второго компонента – нормальной звезды – может начать перетекать на соседнюю вырожденную звезду. Когда на поверхности белого карлика накапливается критическая масса вещества, происходит термоядерный взрыв, срывающий со звезды оболочку и увеличивающий ее светимость в тысячи раз. По мере накопления новой порции газа взрыв повторяется. Уже наблюдались неоднократные вспышки некоторых новых; их называют повторными новыми.