Почему E=mc²? И почему это должно нас волновать

На протяжении всей книги мы пытались детально объяснить читателю, почему все устроено так, а не иначе, и привести соответствующие аргументы и доводы. Представленное здесь описание устройства звезд может показаться слишком замысловатым – мы действительно отклонились от своего обстоятельного стиля объяснений. Вы даже можете нам возразить примерно в таком ключе: поскольку провести лабораторные эксперименты непосредственно на звездах невозможно, мы не можем быть уверены, что они устроены именно так. Но причина нашей краткости на самом деле не в этом, а в том, что излишняя детализация увела бы нас слишком далеко от темы. В качестве подтверждающих доказательств должно быть достаточно прекрасной работы Хойла и успеха таких экспериментов, как детектор Super-Kamiokande, к которым следует добавить замечательный прогноз индийского физика Субраманьяна Чандрасекара[41]. В начале 30-х годов XX столетия, вооружившись общепризнанными физическими законами, он выдвинул гипотезу о существовании верхнего предела массы любого (невращающегося) белого карлика. По первоначальным оценкам ученого такая предельная масса составляла одну солнечную массу (другими словами, массу Солнца). Впоследствии были выполнены более точные вычисления, позволившие получить значение 1,4 солнечной массы. В тот период, когда Чандрасекар проводил свои исследования, была обнаружена только горстка белых карликов. В наше время известно около 10 тысяч звезд такого типа, причем масса большинства из них близка к массе Солнца. Ни один белый карлик не имеет массу, превышающую предел Чандрасекара. В области физики одна из истинных радостей состоит в том, что законы, открытые в процессе проведения кабинетных экспериментов в стенах земных лабораторий, применимы ко всей Вселенной. Субраманьян Чандрасекар сделал свой прогноз, исходя из подобной универсальности физических законов. Именно за эту работу он получил Нобелевскую премию. Подтверждение истинности его прогноза – одно из доказательств, позволяющих физикам обрести уверенность в том, что они действительно знают, как устроены звезды.

Всем ли звездам суждено завершить свой жизненный путь подобно белым карликам? Вышесказанное позволяет предположить, что да, но это еще не вся история: в нашем рассказе было одно узкое место. Если масса белого карлика не может превышать 1,4 солнечной массы, то что происходит с более крупными звездами? Если отбросить вероятность того, что они могут сбрасывать свое вещество таким образом, чтобы не превышать предел Чандрасекара, остается два альтернативных варианта их участи. В обоих случаях большая исходная масса означает, что по мере дальнейшего сжатия электроны начинают со временем двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Когда это происходит, деваться некуда: давления электронов недостаточно для противодействия силе гравитации. Для таких массивных звезд следующая остановка – это нейтронная звезда, в которой в последний раз начинается процесс ядерного синтеза. Протоны и электроны перемещаются настолько быстро, что достигают уровня, когда у них появляется достаточно энергии для запуска процесса слияния протонов и электронов, сопровождающегося созданием нейтронов. Эта реакция представляет собой процесс, обратный процессу радиоактивного бета-распада, в ходе которого нейтрон самопроизвольно распадается на протон и электрон, выделяя при этом нейтрино. Так все протоны и электроны постепенно превращаются в нейтроны, и звезда становится не чем иным, как сгустком нейтронов. Плотность нейтронной звезды просто поразительна: одна чайная ложка вещества такой звезды весит больше, чем гора. Масса нейтронных звезд больше массы Солнца, но они сжаты до размера большого города[42]. Многие из известных нейтронных звезд вращаются с огромной скоростью и выбрасывают в пространство пучки радиоактивного излучения, подобно космическим маякам. Эти звезды известны как пульсары и относятся к числу настоящих чудес Вселенной. Масса некоторых пульсаров почти в два раза превышает массу Солнца, хотя их диаметр всего 20 километров, и они совершают более 500 оборотов в секунду. Представьте себе, какие неистовые силы действуют на таком объекте. Мы с вами открыли чудеса, не поддающиеся воображению.