Занимательно о космогонии

Впрочем, некоторый опыт общения со сверхплотным состоянием вещества у астрономов уже был. Начал его Фридрих Бессель. Еще в 1844 году, наблюдая движение Сириуса, он пришел к выводу, что вокруг яркого гиганта должен непременно крутиться невидимый спутник, причем достаточно массивный, потому что в движениях яркой звезды наблюдались определенные неравенства. Однако наблюдатели никакого спутника возле Сириуса не находили. И лишь 18 лет спустя, когда оптик и астроном Альвен Кларк испытывал только что отшлифованный новый объектив на своем телескопе, он увидел рядом с Сириусом едва заметную в его сиянии крохотную блестку. То был Бесселев «Сириус В», или «Щенок», как называли его некоторые астрономы. Достаточно горячий «Сириус В» тем не менее излучал в 10 тысяч раз меньше света, чем сам Сириус, значит, и по размерам он должен был быть тоже во много раз меньше. Но масса «Щенка» отличалась лишь вдвое от массы основного светила. Вывод мог быть один — вещество «Сириуса В» обязано было быть тяжелее, то есть плотнее звездного вещества самого Сириуса. Так оно и оказалось. И в истории астрономии был открыт первый белый карлик — звезда, состоящая из вещества повышенной плотности.

Прошло время, и белых карликов обнаружили так много, что они образовали целый специальный класс звезд. Теоретики разработали подходящую теорию, вывели условия, при которых белые карлики могли существовать и находиться в равновесии, разработали физику образования уплотненного вещества. Чего не сделаешь на бумаге, если этого требуют наблюдения. По всем данным, звездное вещество белых карликов вроде бы не должно было подчиняться уравнению газового состояния, выведенному еще Б. Клапейроном в 1834 году. В 1874 году оно было обобщено Д. Менделеевым и с тех пор играет существенную роль при расчетах моделей звезд. Пользоваться уравнением газового состояния можно, когда газы достаточно разрежены. Но это совершенно неприменимо к сверхплотному состоянию белых карликов. Из чего же могли состоять эти удивительные сгустки материи, и в каком фазовом состоянии должно находиться их вещество?

Попробуем порассуждать. Температура поверхности белых карликов достигает 10 тысяч градусов. Внутри она наверняка выше. Значит, ни твердыми, ни жидкими они быть не могут. Газообразными? Но плотность вещества в недрах этих звезд такова, что в земных условиях наперсток, наполненный аналогичным конгломератом, весил бы сотни, а то и тысячи тонн! Плотность же самых плотных твердых и жидких тел, известных человеку, не превышает двадцати граммов на кубический сантиметр.

В 1926 году английский физик Р. Фаулер вывел все-таки теоретически условия, при которых могла существовать огромная плотность вещества белых карликов. Всем стало легче. Р. Фаулер предположил, что недра этого типа звезд находятся в состоянии «вырожденного газа», когда атомы разрушены, электроны отделены от ядер и расстояния между центрами атомных ядер в несколько десятков раз меньше, чем в обычных жидких и твердых телах. Такое вещество должно иметь совершенно особые свойства.

Давайте-ка вспомним физику. Почему газ в обычном состоянии имеет малую плотность? Да потому, что его атомы свободно двигаются в пространстве. Расстояния между ними больше размеров самих атомов. В жидких и твердых веществах картина другая. Там пухлые за счет своих электронных оболочек атомы соприкасаются. И чем теснее их «упаковка», тем выше плотность. В веществе белого карлика ядра оголены, электронные оболочки с них сорваны. Но расстояния между ними все еще значительно больше размеров самих ядер. А это признак газа. Ну, не совсем, конечно, обычного газа, но потому его и назвали «вырожденным»…

Несколько лет спустя советские физики Л. Ландау и Я. Френкель независимо друг от друга пришли к выводу, что не каждая звезда может обратиться в белый карлик, а лишь та, масса которой превышает солнечную не больше, чем на 40 процентов. Затем советский физик М. Бронштейн и индиец С. Чандрасекар, работавший в США, заложили основы общей теории белых карликов. Астрофизик С. Каплан в СССР решил задачу о наиболее вероятных плотностях таких звезд. Оказалось, что белые карлики весьма разнообразны. Плотность их, а соответственно и радиус зависят от предполагаемого химического состава. Например, если белый карлик состоит в основном из гелия, наибольшая плотность его будет равняться «всего» тысяче тонн на кубический сантиметр. Такое небесное тело может иметь среднепланетные размеры. А вот если большая часть белого карлика состоит, скажем, из ядер железа, его предельная плотность повышается раз в 20, а радиус становится меньше радиуса Земли (порядка тысячи километров).