Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Если мы представим себе новую звезду, увеличивающую свою светимость в считанные дни в 100 000 раз, мы легко поймем, сколь грандиозны масштабы излучаемой ею в космос энергии. Новая средних размеров в пике своего блеска излучает в день столько энергии, сколько наше Солнце за полгода.

Откуда же берется эта энергия?

Прежде чем ответить на это, мы должны задаться вопросом: а откуда получает энергию наше Солнце? Солнце светит уже в течение 4,6 млрд. лет почти в том же режиме, что и теперь. За это время оно истратило неимоверное количество энергии, однако все еще светит и будет светить на нынешнем уровне еще 5–6 млрд. лет. Где же источник всей этой энергии?

Раньше XIX в. этот вопрос особенно никого не беспокоил. В древности и в средние века люди думали, что Солнце сделано из особого небесного материала, обладающего способностью сиять. Оно не могло прекратить свое сияние точно так же, как земные предметы не могли прекратить разрушение от времени. К тому же, по мнению тех людей, Солнце было не так уж старо. Считалось, что оно светит каких-то несколько тысяч лет.

К середине прошлого века, однако, ученые стали испытывать некоторое беспокойство. Они понимали, что небесные тела существенно отличаются от Земли по химическому составу, что возраст Земли не тысячи лет, а миллионы, и стали настойчиво изучать природу энергии.

В 1847 г. немецкий физик Герман фон Гельмгольц (1821–1894) в результате тщательного исследования процессов, связанных с изменениями энергии, обосновал закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может возникать из ничего или исчезать бесследно, она может лишь менять свою форму. В сущности, эта идея пришла к физикам еще в начале 40-х годов XIX в., но Гельмгольц выдвинул самые убедительные и законченные аргументы и честь открытия данного закона приписывается именно ему.

Кроме того, Гельмгольц был первым ученым, сосредоточившим свое внимание на проблеме солнечной энергии. Солнце не могло черпать свою энергию из ничего; откуда же тогда оно берет ее?

Гельмгольц начал поиск с нескольких источников энергии, которые были легкообъяснимы. Не могло ли Солнце получать энергию в результате обычного химического горения? Не могло ли оно получать ее в результате постоянного падения метеоритного вещества? Первые попытки Гельмгольца либо давали недостаточные количества энергии, либо затрагивали такие изменения массы Солнца, которые должны давать легко измеримые результаты, которых на самом деле они не давали.

Наконец в 1854 г. Гельмгольц решил, что единственным источником энергии, питающим Солнце, является собственное его сжатие. Тяжелое солнечное вещество медленно падает внутрь Солнца в направлении к его центру, и энергия этого падения превращается в энергию излучения, питающую Солнце многие тысячи лет.

Это объяснение было не совсем удачно: так, если бы Солнце сжималось в продолжении нескольких десятков миллионов лет, то изначальный его объем был бы так огромен, что захватил бы и земную орбиту. Поэтому Земля могла образоваться только тогда, когда Солнце стало значительно меньше, и, следовательно, возраст нашей планеты не более десятка миллионов лет.

К концу прошлого века геологи, а с ними и биологи стали понимать, что Земля, а значит, и Солнце, гораздо старше. Земля должна существовать как минимум сотни миллионов лет, а может быть, даже миллиард лет и более. Солнце должно быть таким же «взрослым», и в этом случае его сжатие даже близко не обеспечило бы его достаточным для такого срока количеством энергии. Тогда что же это за источник?

Когда XIX век уже близился к концу, человечество неожиданно открыло новый источник энергии. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл радиоактивность. Он обнаружил, что атомы металлического урана очень медленно, но постоянно превращаются в ядра других элементов.

В 1901 г. другой французский физик — Пьер Кюри (1859–1906) нашел, что радиоактивность связана с выделением небольших, очень небольших количеств тепла.

Поскольку, однако, радиоактивный распад может продолжаться миллиарды лет и учитывая количество радиоактивных веществ Земли в целом, общее количество выделенного тепла может быть огромным. Стало ясно, что открыт новый, очень интенсивный источник энергии.

Эрнст Резерфорд, английский физик родом из Новой Зеландии (1871–1937), в 1906 г. показал, что атом не просто крошечный шарик, как думали раньше, но состоит из еще более мелких «субатомных частиц», или, как мы теперь знаем, из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны, будучи относительно тяжелыми для таких крохотных частиц, помещаются в таких же крохотных ядрах в самом центре атома. Вокруг ядра вращаются легкие электроны. Именно в ядрах происходят изменения, и в процессе распада высвобождается энергия; эту энергию со временем стали называть «ядерной энергией».

Так что ж, может быть, Солнце светит за счет такой ядерной энергии? Источником ядерной энергии, получившим известность в первых десятилетиях нашего века, был радиоактивный распад атомов урана и тория. Неужели наше Солнце — это гигантский шар, набитый ураном и торием?

Нет, такого быть не могло. В начале XX в. химический состав Солнца был уже известен благодаря применению упомянутой здесь ранее спектроскопии. Давайте разберемся в этом еще раз.

Солнечный свет при его прохождении сквозь стеклянную призму раскладывается на радугу цветов, или спектр, что было впервые показано Исааком Ньютоном (1643–1727). Это происходит оттого, что свет состоит из мельчайших волн, имеющих разную длину, и, проходя через стеклянную призму, каждый луч света изгибается на величину, зависящую от его собственной длины волны. Чем короче волна, тем больше этот изгиб. Таким образом, спектр состоит из световых волн, разложенных по порядку от самых длинных волн на одной стороне до самых коротких на другой.

В 1814 г. немецкий оптик Йозеф Фраунгофер обнаружил, что солнечный спектр прочерчивается многочисленными темными линиями. Темные линии объясняются тем, что атмосфера Солнца поглощает часть света с определенной длиной волны, которая через нее проходит. Солнечный свет поэтому приходит на Землю с недостающими длинами волн, а пробелы — это темные линии спектра.

Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) в 1859 г. открыл, что каждый отдельный вид атомов поглощает или излучает в нагретом состоянии волны света особой длины, которые не поглощаются никаким другим видом атомов. Установив длину поглощаемой или излучаемой волны, можно определить атом вещества, поглощающий или излучающий свет.

В 1861 г. шведский физик Андерс Ангстрем (1814–1874) отождествил некоторые темные линии солнечного спектра с водородом — самым простейшим из природных элементов. Впервые была идентифицирована одна из составляющих «небесного тела». Ею оказалось вполне земное вещество. (Этот факт наносил удар по утверждению Аристотеля, что небесные тела сделаны из уникальных, единственных в своем роде субстанций!)

С того дня солнечный спектр стал изучаться все более и более детально, и на Солнце были открыты атомы других веществ, существующих и у нас на Земле. Удалось установить даже пропорции, в которых присутствуют там различные атомы. Поэтому можно совершенно определенно утверждать: — Солнце не шар из урана и тория; эти элементы находятся там в едва заметных количествах и могут выделять энергию, которая пренебрежимо мала в сравнении с тем, что ежесекундно излучает Солнце.

Следует ли отсюда, что ядерная энергия не может быть источником энергии для Солнца?

Вовсе нет. В 1915 г. американский химик Уильям Харкинз (1873–1951) предположил, что энергию могут выделять многие типы ядерных превращений, отличные от обычной радиоактивности. Он указал, что ядерное превращение, дающее необычайно большое количество энергии, — это превращение, при котором четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. Харкинз предположил, что такая «водородная ядерная реакция», как она теперь называется, и есть источник энергии Солнца.

Трудность заключалась в том, что радиоактивность, которая самопроизвольно протекает на Земле, точно так же должна вести себя и на Солнце, так что распад урана мог быть правдоподобным источником энергии Солнца лишь при условии достаточного его количества. С другой стороны, ядерный синтез водорода не происходит в обычных условиях, но требует огромных температур, таких, которые не в состоянии обеспечить даже раскаленная поверхность Солнца.

В 20-х годах Эддингтон изучал вопрос: почему под действием собственной громадной гравитации Солнце не сжимается до размеров маленького шарика? Единственной силой, которая могла заставить его расширяться наперекор силе гравитации, была его внутренняя температура, его внутренний жар, и Эддингтон рассчитал, каким горячим должно быть ядро Солнца, чтобы поддерживать его в его нынешних размерах. Выяснилось, что температура должна быть порядка миллионов градусов, и теперь общепринято значение температуры ядра Солнца 15 000 000 °C.

Американский астроном Генри Рассел (1877–1957) продолжил эти исследования, изучив состав Солнца так досконально, как никто до него не делал. Его анализ солнечного спектра показал, что 75 % массы Солнца составляет водород, остальные 25 % — гелий. Это два простейших атома. Все более сложные атомы существуют на Солнце в количестве, не превышающем в сумме 1 %.

Если Солнце — это, в сущности, шар, наполненный водородом и гелием, то синтез водорода есть единственно возможная ядерная реакция, способная дать энергию Солнцу. И недра Солнца, если не его поверхность, обеспечивают для этого вполне высокую температуру.

В 1938 г. немецко-американский физик Ханс Альбрехт Бете (р. 1906), приняв в расчет химический состав Солнца и температуру в его ядре, разработал довольно точную модель процессов, происходящих внутри светила. Эта модель была позднее уточнена, и, насколько удалось определить, солнечная энергия, как и предсказал Харкинз четверть века назад, возникает в результате превращения четырех ядер водорода в одно ядро гелия.

Что годится для Солнца, годится и для других звезд, так что, определив механизм образования солнечной энергии, мы, по-видимому, решим проблему возникновения звездной энергии вообще.

Синтез водорода в условиях сохранения равновесия может самоподдерживаться при неизменном (или очень мало изменяемом) выходе энергии в течение времени существования звезды, зависящего от ее массы. Чем крупнее звезда, тем больше она содержит водорода, но одновременно тем больше калорий требуется, чтобы удержать ее в расширенном состоянии при повышенной силе гравитации этой более крупной звезды.

По мере роста массы потребность в тепле опережает его производство. Это означает, что обширный топливный запас массивной звезды расходуется быстрее, чем небольшой запас топлива звезды некрупной. В итоге чем больше масса звезды, тем меньше ее ресурс как водородного ядерно-энергетического объекта.

Топливный запас массивной звезды расточается так быстро, что она может оставаться «нормальной» звездой всего несколько миллионов лет. Маленькая звезда расходует свой небольшой запас так экономно, что он может служить ей 200 млрд. лет.

Солнце, которое в этом смысле является промежуточной звездой, имеет запас водорода, который может питать его энергией на протяжении 10–12 млрд. лет. Солнце просуществовало 4,6 млрд. лет, поэтому оно еще не достигло и середины своего срока жизни как нормальной звезды.

О существующих звездах, которые пребывают в фазе своего жизненного цикла, говорят, что они находятся в «главной последовательности». В главной последовательности находится и Солнце. В ней же располагается 85 % видимых звезд.

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ

Не все звезды принадлежат главной последовательности. Как было сделано это открытие, кажется, не имеет ничего общего с упомянутым положением, но все же приводит нас снова к звездам, объясняя происхождение новых. Вот как это случилось.

Всегда считалось, что звезды — это единичные объекты. Правда, существовало несколько мест, где звезды сияли тесной группой, но ведь и люди и деревья могут стоять плотной группой и все же оставаться независимыми, отдельными предметами.

Когда появился телескоп, стало заметно, что звезды иногда группируются более тесно, чем предполагалось раньше. Иногда пара звезд была так близка друг к другу, что простому взгляду казалась одной звездой. Например, Альфа Центавра и Лебедь 61, упомянутые выше, слывшие всегда «едиными звездами», оказались на деле парами очень близких звезд.

Так как звезды расселены в огромных глубинах космоса, можно было бы рассуждать таким образом: одна из пары близких звезд находится совсем рядом с нами, другая же — чрезвычайно далеко. И эти звезды совсем не близки друг к другу, а только кажутся такими, потому что находятся от нас почти в одном направлении.

Если звезды рассеяны в Космосе бессистемно, наудачу, есть вероятность, что некоторые из них будут находиться непосредственно «в затылок» друг другу, а нам казаться близко прижатыми друг к другу.

В 1767 г. английский геолог Джон Митчелл (1724–1793) рассудил, что число сближенных звезд значительно больше, чем можно было ожидать, исходя из их бессистемного расположения. На этом основании он предположил, что звезды, заключенные в пары, действительно существуют.

Гудрайк был, по-видимому, ободрен выводом Митчелла, когда в 1782 г. высказал мысль, что Алголь — это фактически пара звезд, обращающихся друг возле друга так, что одна периодически затмевает другую. Но это была всего лишь разумная догадка, а не реальное наблюдение.

Вильям Гершель, работавший позднее над моделью Галактики, в 1780-х годах занимался звездами, расположенными очень близко друг к другу. Он рассчитывал, что одна из них будет ближе к нам, а другая гораздо дальше, так что он сможет определить параллакс ближней звезды относительно дальней и расстояние до ближайшей из них.

Однако вместо параллакса он вдруг обнаружил, что во многих случаях звезды кружатся друг возле друга. Гершель видел это собственными глазами! Обыкновенные двойные звезды могли быть двойными только с виду, а здесь перед Гершелем были «бинарные» (или двойные) звезды, которые действительно расположены вплотную друг к другу, настолько вплотную, что удерживались взаимным магнитным полем и каждая звезда обращалась вокруг общего центра масс.

Сначала полагали, что двойные звезды — явление очень редкое, но, чем больше изучалось небо, тем больше находили двойных звезд. Теперь признают, что до 70 % существующих звезд являются частью двойной, а может быть еще более сложной, системы, и как раз в меньшинстве оказываются единичные звезды типа нашего Солнца. Открытие одной бинарной звезды впоследствии привело к важнейшему успеху в астрономии.

Бессель, впервые измеривший расстояние до звезд, был занят наблюдением изменяющихся положений Сириуса, с тем чтобы потом определить расстояние до него. Он заметил, что положения светила были совсем не такими, какие можно было ожидать от параллакса. Сириус смещался по некоторой волнообразной линии в одном направлении. Эта волнообразность заставляла догадываться о том, что звезду подталкивает на эллиптическую орбиту какой-то близкий объект. Эта орбита в сочетании с собственным прямолинейным движением звезды и порождала вышеназванные волны.

Если звезда, подобная Сириусу, принуждена двигаться ощутимо волнообразно, это значит, что сила притяжения другого объекта должна быть огромной. Другим объектом может быть только звезда, все другое было бы ничтожно.

Бессель ничего не видел там, где, по его мнению, должна была находиться звезда, и все же в 1844 г. он пришел к заключению, что Сириус — это бинарная звезда с «темным компаньоном». «Компаньон, — думал Бессель, — это звезда, которая не видна, потому что вся дотла сгорела. Она бродит в космосе как почерневший призрак того, чем когда-то была».

В 1862 г. изготовитель телескопов американец Элвин Кларк (1832–1897) закончил новый телескоп и пробовал его на Сириусе, чтобы убедиться в резкости изображения. Резкость была хорошая, но… какая досада! Близ Сириуса мельтешила какая-то крупица света. Кларк, думая, что это дефект инструмента, тщательно проверил линзы — они были безупречны. Вновь всмотревшись в эту крупицу света, Кларк констатировал, что она находится там, где должен был бы находиться «темный компаньон» Бесселя, виновный в волнообразном движении Сириуса.

Да, это и есть «темный компаньон». Товарищ, или, как его еще называют, компаньон, Сириуса имеет звездную величину 8,4, т. е. он в общем-то не «темный», но какая разница, если мы в угоду точности назовем его «тусклым товарищем» Сириуса? Сегодня мы называем сам Сириус Сириусом А, а его темного, или тусклого, компаньона Сириусом В.

В 1893 г. немецкий физик Вильгельм Вин (1864–1928) открыл, что можно определить поверхностную температуру звезды по деталям ее спектра.

В 1915 г. американский астроном Уолтер Сидней Адамс (1876–1956) ухитрился исследовать слабейший спектр Сириуса В и обнаружил, что температура его поверхности неожиданно высока. Сириус В оказался горячее нашего Солнца, хотя и менее горячим, чем Сириус А.

Если Сириус В так горяч, а температура его поверхности 10 000 °C, то каждый квадрат его поверхности должен быть накален до сверкающего блеска, ярче, чем равновеликий квадрат поверхности Солнца. Почему же тогда Сириус В такой тусклый? Объяснение могло быть только одно: его поверхность слишком мала.

В настоящее время считают, что диаметр Сириуса В всего лишь 11 100 км, а потому он даже меньше Земли, диаметр которой 12 756 км. Однако он мал только по своим размерам.

Бессель знал об этом, даже практически на него не взглянув, по тому гравитационному воздействию, которое он оказывал на гигантский Сириус А. Этот мощный гравитационный эффект вовсе не стал меньше оттого, что Сириус В сравняли по размеру с небольшой планетой. По силе его тяготения было рассчитано, что он имеет массу порядка 1,05 массы Солнца; другими словами, вся масса Солнца будто бы втиснута в крошечный объем, меньший земного.

Средняя плотность Земли (если представить всю планету размешанной в однородную массу) составляет 5500 кг на кубический метр. Сириус В имеет плотность в 530 000 раз большую.

Таким образом, средняя плотность Сириуса В составляет 3 млн. кг в одном кубометре. Американская 25-центовая монета, сделанная из вещества Сириуса В, весила бы 1900 кг.

Однако Сириус В неодинаково плотен по всему объему. Он менее плотен у поверхности, и плотность его вырастает по мере продвижения вглубь, так что наибольшая его плотность приходится на ядро. (Это верно для всякого астрономического тела, включая Землю и Солнце.) Плотность Сириуса В в его центре составляет, по-видимому, 33 млн. кг/м³.

Когда впервые было обнаружено, что Сириус В очень мал, стало сразу очевидно, что его плотность гораздо выше, чем у самого плотного вещества на Земле.

Несколькими годами ранее это показалось бы нелепостью, но к тому времени, как Адамс сделал свое ключевое открытие относительно температуры Сириуса В, уже было известно, что атом состоит из чрезвычайно плотного крохотного ядра, окруженного почти не имеющими массы электронами.

На этом основании Эддингтон в 1924 г. высказал идею, что в таком объекте, как Сириус В, атомы расщеплены и ядра сближены между собой гораздо плотнее, чем в веществе, состоящем из целых, нерасщепленных атомов.

Вещество, состоящее из таких атомов и ядер, расположенных вплотную друг к другу, получило название вырожденного или «дегенерировавшего» вещества.

Поверхностное притяжение любого объекта зависит от его массы и расстояния от поверхности до центра (т. е. его радиуса). Например, масса Солнца в 333 500 раз больше массы Земли, радиус Солнца больше земного в 109,1 раза. Поэтому, находясь на поверхности Солнца, мы оказались бы в 109,1 раза дальше от центра объекта, чем на поверхности Земли. Увеличение указанного расстояния ослабляет силу притяжения, которую мы бы испытывали, окажись на поверхности Солнца.

Для определения поверхностной гравитации Солнца его масса должна быть разделена на квадрат его радиуса, т. е. 333 500/(109,1)², что равно приблизительно 28. Другими словами, поверхностная гравитация Солнца в 28 раз превышает земную.

Возвращаясь к Сириусу В, мы должны иметь в виду, что, хотя его масса равна 1,05 солнечной, радиус этой маленькой звезды много меньше, чем у Солнца. Дистанция от поверхности до центра равна всего 0,008. Поверхностная гравитация на Сириусе В, таким образом, будет равна (1,05/(0,008)²)Х28, т. е. в 470 000 раз больше, чем на Земле.

Сириус В — такая крошечная звезда с температурой белого каления, и может служить примером белого карлика. А так как это звезда высочайшей плотности и малых размеров, то Сириус В — это сжавшаяся, или сколлапсировавшая, звезда.

Сириус В и все белые карлики — это звезды, уже не принадлежащие главной последовательности. В главной последовательности находятся звезды, ядерный синтез водорода в центре которых выделяет тепло, удерживающее звезду в расширенном состоянии. Когда водородное топливо иссякнет, звезда не сможет больше оставаться раздутой и ее собственное гравитационное поле заставит ее сжаться и превратиться в белый карлик.

В звездном населении галактики белые карлики составляют, по-видимому, 15 %. Это означает, что в галактике существует примерно 45 миллиардов белых карликов. Из-за малого своего размера они так тусклы, что различить можно только те из них, которые находятся в относительной от нас близости.

Поэтому Сириус В, ближайший к нам белый карлик, нельзя увидеть без телескопа даже в отсутствие ослепляющего света соседнего с ним Сириуса А.

КРАСНЫЕ ГИГАНТЫ

Похоже, что сегодня белые карлики — главный ключ к разгадке образования новых. Но не только они: имеется еще один тип звезд, с которым нам придется иметь дело, — тип звезд, которого тоже нет в главной последовательности.

Когда датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1873–1967) впервые в 1905 г. разрабатывал свою главную последовательность, он обратил внимание, что существует два вида красных звезд. Один из них — тусклые, другой — очень яркие; переходного вида нет.

Красная звезда выглядит красной оттого, что имеет холодную или самое большее нагретую докрасна поверхность, в то время как звезды такого типа, как наше Солнце, раскалены добела. Температура поверхности красных звезд, очевидно, не выше 2000 °C. Можно предположить, что такие звезды на единицу поверхности дают сравнительно мало света и если б они имели размер нашего Солнца или меньше, они поневоле должны быть тусклыми. Поэтому тусклость красных звезд не вызывает удивления. Но как объяснить существование очень ярких красных звезд?

Чтобы «прохладная» звезда светила очень ярко, надо предположить, что при слабом излучении на единицу поверхности общая поверхность такой звезды огромна, гораздо больше поверхности Солнца. Яркие красные звезды имеют диаметр в 100 раз больший, чем солнечный. Поэтому такие звезды, как Бетельгейзе или Антарес, называют красными гигантами.

Уже когда была определена главная последовательность, стало ясно, что красных гигантов в ней не будет. Конечно, разумно было предположить, что красные гиганты — это звезды в процессе рождения: они медленно уплотняются под влиянием собственной гравитации и по мере этого становятся все меньше и горячее.

С течением времени красные гиганты сожмутся до «нормальных» размеров, разогреются и только тогда займут свое место в главной последовательности.

Теперь, однако, так не думают.

Ученые исследовали скопления звезд, в которых все звезды считались одного возраста, поскольку все скопление (или кластер) возникло, скорее всего, одновременно.

Астрономы поняли, что все звезды скопления эволюционировали и что, чем крупнее была звезда, тем быстрее протекала эта эволюция. Они определили массы разных звезд и имели, так сказать, серию «проб», которые указывали на разные этапы эволюции. Наиболее массивными звездами были красные гиганты, это свидетельствовало о том, что, хотя такая звезда и не принадлежала к главной последовательности, ее следовало отнести к поздней фазе, а не к ранней стадии эволюции.

Как же образуются красные гиганты?

Наиболее общее мнение таково: медленно, на протяжении миллионов и миллиардов лет, водород в ядре звезды расходуется; гелий, образующийся в результате водородного превращения, будучи плотнее, чем водород, собирается в самом ее центре. Синтез водорода продолжается во внешнем слое этого все растущего гелиевого шара в центре звезды.

А теперь, пожалуй, сконцентрируем наше внимание именно на гелии.

По мере того как гелий сгущается силой своего собственного веса, гелиевый шар становится все меньше, плотнее и горячее. Постепенно в нем развиваются температуры и давление, достаточные для того, чтобы начался «синтез гелия». Ядра гелия, вступая в комбинации друг с другом, образуют более сложные ядра углерода, азота и кислорода.

При этом случае звезде сообщается тепло сверх и помимо того тепла, что выделяется в процессе синтеза водорода, продолжающегося вокруг гелиевого шара. Это приводит к чрезвычайному перегреву и громадному вздутию наружных слоев звезды, гораздо более сильному, чем у нормальной звезды, живущей всецело за счет водородного синтеза.

Можно считать, что именно в этот момент звезда расстается с главной последовательностью.

По мере расширения внешние слои остывают до красного свечения, но расширение поверхности с лихвой восполняет эту потерю излучения, т. е. если диаметр звезды увеличивается в 100 раз, то площадь ее поверхности увеличивается в 100X100=10 000 раз, и, значит, несмотря на более холодную поверхность, суммарное количество тепла, излучаемого звездой, много выше, чем у большинства нормальных звезд.

Синтез гелия дает гораздо меньше тепла, чем синтез водорода, поэтому запас гелия в звезде исчерпывается гораздо быстрее, нежели запас водорода. Продукты синтеза гелия могут продолжать ядерные превращения и дальше, но вся энергия синтеза гелия не составляет, пожалуй, и одной двадцатой части синтеза водорода, между тем красный гигант продолжает излучать энергию с ужасающей расточительностью.

Это означает, что стадия красного гиганта долго длиться не может, в звездном, конечно, масштабе. (В масштабе человека это большой срок, ведь эта стадия может длиться один-два миллиарда лет.) Вот почему в небе относительно редко сталкиваешься с красным гигантом. Большинство звезд либо еще не достигло стадии красного гиганта, либо уже эту стадию миновало. В галактике. красных гигантов всего около 1 %, т. е. примерно 2,5 млрд, и, конечно, в нашем районе Галактики мы можем видеть только часть их, хотя, если б не пылевые облака, они должны были бы видеться на очень больших расстояниях.

Ядра в центре красного гиганта продолжают слияние до тех пор, пока температура там уже не станет достаточно высокой для новых ядерных превращений. Температура в самых крупных звездах может подняться чрезвычайно высоко, но даже при этом синтез может идти только до образования ядер железа.

Появление ядер железа — это уже тупик. Вне зависимости от того, разбиваются ли ядра железа на более мелкие или, напротив, сливаются в более крупные ядра, никакой энергии при этом не возникает.

В любом из этих случаев энергия должна подводиться извне. Мы можем считать, что ядра железа — это окончательный «шлак», оставшийся от реакций синтеза в недрах звезды. Достигло ли ядро красного гиганта температуры, за которой его масса уже не в состоянии удержать себя, или в нем уже начался синтез ядер железа — конец один: ядерный пожар угасает и уже ничто не может удержать звезду в расширенном состоянии в борьбе с собственной силой тяготения. И она «опадает» (коллапсирует), притом очень быстро.

При катастрофическом сжатии (коллапсе) звезда нагревается, и часть водорода, еще остающаяся на ее поверхности, может получить нагрев и сжатие, достаточные для вспышки ядерного синтеза. Происходит взрыв, при котором часть звездного вещества выбрасывается в пространство, и вокруг коллапсировавшей звезды может возникнуть расширяющаяся сфера газа и пыли.

Некоторые из видимых нами звезд находятся именно в таком состоянии. Расширяющаяся газовая сфера подсвечивается звездой, и мы можем наблюдать ее, особенно хорошо по краям, где луч зрения проходит через ее наибольшую толщину. Опавшая звезда выглядит так, словно она окружена дымчатым кольцом.

Газопылевые облака, встречающиеся в межзвездном пространстве, называются «небула» (от латинского слова «облако»). Когда такое облако, или туманность, имеет вид кольца, обволакивающего звезду и напоминающего орбиту планеты, мы называем его планетарной туманностью. Известно ~1000 планетарных туманностей, наиболее знаменитая из них туманность Кольцо в созвездии Лиры.

В центре каждой планетарной туманности помещается очень горячая бело-голубая звезда (предположительно вновь образовавшийся белый карлик), излучение которой продолжает выталкивать заряд газов наружу, в пространство. Этот газовый заряд становится по мере расширения все тоньше и слабее, пока наконец не исчезнет в необъятно рассеянной газопылевой среде межзвездного пространства. По прошествии, может быть, 100 000 лет на сцене останется один белый карлик, лишенный последних следов своего туманного ореола, — та стадия, в которой и пребывает теперь Сириус В.

Теперь внутри белого карлика нет никаких ядерных превращений, и потому он навсегда лишен источника тепла. Очень медленно, с течением веков, он остынет. К тому же он излучает так мало света, что перестает быть заметным и становится черным карликом. Однако Вселенная, по-видимому, не так стара, чтобы в ней было много черных карликов, если они вообще существуют.

ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ И КОЛЛАПС

Теперь, кажется, самое время полюбопытствовать, что же происходит со звездой, когда она становится новой.

Когда коллапсирует красный гигант, то при сжатии водорода в наружных слоях возникает вспышка света. Не должна ли эта вспышка света и означать появление новой?

Ведь при взрыве звезды происходит выброс газа и пыли, а разве не такой выброс наблюдался в Новой Персея и Новой Орла?

Фактически нет.

Исследователи предновых звезд (немногие, кому это удалось) показывают, что эти новые не были красными гигантами. Мало того, после того как новая потускнела и вернулась к своему первоначальному состоянию («постновая»), она не стала и белым карликом. В обоих случаях, и до, и после вспышки, такая звезда — это скорее звезда главной последовательности, может быть, чуть ярче и чуть горячее, чем Солнце.

Чтобы решить эту головоломку, давайте вспомним, что большинство звезд — члены двойных систем. А раз так, мы вправе спросить: что происходит, когда один из членов пары подходит к концу своего пребывания в главной последовательности, раздувается до красного гиганта, а затем сжимается в белый карлик, в то время как другой член этой пары остается на главной последовательности?

Оба члена двойной системы почти наверное образовались одновременно, и крупнейший из них должен раньше сойти с главной последовательности и, следовательно, быть одним из двух, кто первым превратится в белый карлик.

Однако белый карлик Сириус В, знакомый нам лучше других, кажется, опровергает такое мнение. Сириуса В уже нет в главной последовательности, хотя по массе он всего в 1,05 раза больше Солнца, а Сириус А, масса которого в 2,5 раза превышает солнечную, все еще значится в этой последовательности. Как объяснить эту аномалию?

Самый разумный вывод состоит в том, что Сириус В сначала действительно был более крупной звездой и потому первым вошел в стадию красного гиганта. Когда он, будучи красным гигантом, кончил коллапсом, значительная часть его массы была выброшена в пространство. В итоге та его часть, которая в конце концов сжалась в белый карлик, оказалась значительно меньше, чем была изначально.

С другой стороны, солидная доля вещества, выброшенного наружу при коллапсе Сириуса В, оказалась, по-видимому, захваченной Сириусом А, отчего последний стал тяжелее, чем был вначале. (Это означает, что долговечность Сириуса А как звезды в главной последовательности была тем самым сильно укорочена.)

Казалось бы, ничто не указывает на то, что в паре Сириусов когда-то образовалась новая. Но дело даже не в этом: идея переноса массы от одного члена пары к другому оказалась заслуживающей самого серьезного внимания. Ключевое открытие в области новых, приведшее к современному пониманию этого феномена, было сделано в 1954 г.

К тому времени постновые звезды весьма тщательно изучались, и одно из открытий свидетельствовало о том, что многие из них как будто мерцают. Они давали быстрые, едва заметные изменения света, совсем непохожие на устойчивое, ровное свечение обычных звезд. Естественно, астрономы искали хоть что-то, что отличало бы постновые от обычных звезд, и это мерцание вселяло какую-то надежду.

Одна из звезд, оказавшихся в поле внимания наблюдателей, была Новая Геркулеса или, точнее, бывшая новой за двадцать лет до того, а потом получившая название DQ Геркулеса.

В 1954 г. американский астроном Мерл Уолкер обнаружил, что к мерцанию звезды еще примешивается определенное потускнение, длящееся один час, за которым следует просветление до исходного уровня. Дальнейшее наблюдение показало, что это потускнение происходит периодически, каждые 4 ч 39 мин. Выходило, что DQ Геркулеса была затменной двойной звездой, каким был Алголь, факт существования которого никто не мог предвидеть.

Причина, по которой этого не заметили раньше, крылась в том, что упомянутые изменения света были так незначительны, а период настолько краток, что никто не был готов к такому быстрому повторению изменений и потому за ним не следили. По сути, когда DQ Геркулеса была признана двойной звездой, она имела самый короткий период, зарегистрированный к тому времени для звезд такого типа.

Это означало, что звезды этой пары вращались вокруг общего центра масс с невероятной скоростью, что, в свою очередь, говорило об их чрезвычайной близости друг к другу. (По самой точной оценке, выполненной в наши дни, центры масс обеих звезд DQ Геркулеса разделяет чуть более полутора миллионов километров (примерно 900 000 миль). Если бы эти звезды были размером с наше Солнце, они бы соприкасались!)

Была ли эта близость простым совпадением?

Неужели тот факт, что DQ Геркулеса была очень тесной парой, не имел никакой связи с тем, что она недавно была новой? Единственное, что можно было сделать, — это исследовать другие постновые.

Не являются ли и они очень тесными парами? Из десяти постновых, изученных Робертом П. Крафтом, коллегой Уолкера, семь имели несомненные признаки большой компактности.

Конечно, такое совпадение, при котором все двойные системы будут видны с ребра, т. е. смотреть в затылок друг другу и затмевать друг друга, очень маловероятно, тем не менее постновые, которые не обнаруживали никаких признаков затмения, при тщательном изучении их спектральных линий оказывались близкими парами. Сверхтесные двойные звезды очень редки, очень редки и новые. Такое множество парных звезд одновременно (и новых, и сверхблизких) не может быть объяснено простым совпадением. Здесь должна быть какая-то связь!

Вскоре был обнаружен еще один факт. Постновые выглядели вполне заурядными звездами в главной последовательности, но тщательное изучение их спектра выявило дополнительное присутствие маленьких, раскаленных добела звезд, которые, судя по всему, должны быть белыми карликами. Другими словами, похоже, что все постновые — это сверхблизкие пары, одна из которых — белый карлик.

Так вот почему в ходе затмения таким незначительным было изменение яркости! Когда белый карлик становится против своего «нормального» компаньона, он практически собой его не заслоняет, и поэтому большого снижения общей яркости сравнительно с той, когда обе звезды сияют свободно, не происходит. Когда компаньон оказывается напротив белого карлика, он полностью заслоняет эту звезду, чья полная яркость, как бы раскалена она ни была, в общем невелика. Следовательно, и в этом случае потеря общей яркости незначительна.

Через соединение в сверхтесной двойной системе белого карлика и звезды главной последовательности астрономы сумели добраться до причин, приводящих к образованию новой.

Сначала сверхтесная пара состоит из двух звезд главной последовательности. Более массивная из них (А) в конце концов становится красным гигантом. По мере того как этот гигант раздается вширь, он становится таким огромным, что начинает касаться своего компаньона (В), который захватывает часть внешних покровов А, делаясь таким образом более массивным, но тем самым менее долговечным. Со временем А кончает коллапсом, сжимаясь в белый карлик, а В продолжает свое теперь укороченное пребывание в главной последовательности.

Довольно скоро (в масштабах жизни звезды) В переходит на ядерное горючее и начинает расширяться. Еще до того, как это расширение примет свои крайние формы и В станет подлинным красным гигантом, его внешние слои окажутся настолько близки к белому карлику А, что часть вещества В начнет «переливаться» в зону гравитационного влияния А. Ранее, когда все шло наоборот, вещество А сталкивалось с поверхностью В, так как обе звезды были нормальными. Теперь вещество В с поверхностью А не сталкивается, потому что А — белый карлик и, конечно же, очень маленький. Но теперь вещество В втягивается в орбиту белого карлика А, образуя диск аккреции.

Такое название он получил вот почему. Вещество перемешивается на орбите благодаря взаимным столкновениям частиц и атомов, так что в результате внутреннего трения часть его теряет энергию и опускается в сторону белого карлика. Эти порции вещества, медленно снижаясь по спирали, как бы накручиваются на маленькую звезду, и белый карлик постепенно растет за счет массы материала, наращиваемого его поверхностью (отсюда и название «аккреция», или «наращивание»).

Несмотря на то что водород в сердцевине В иссяк и В, расширяясь, переходит в стадию красного гиганта, внешние насквозь пористые слои звезды все еще почти сплошь состоят из водорода. И белый карлик А, у которого почти нет собственного водорода даже в наружных слоях, медленно, но верно собирает водород, отбирая его у своего компаньона.

Водород, достигающий поверхности белого карлика, снимается под влиянием большой поверхностной гравитации этой крошечной звезды и, как следствие, нагревается. Водорода поступает все больше и больше, и он начинает нагреваться. Постепенно температура достигает критической точки, при которой начинается водородный ядерный синтез, и поверхность белого карлика нагревается еще сильнее.

Наконец нагревание достигает такого уровня, что ядерная реакция вспыхивает уже и в диске аккреции. При этом возникает колоссальная вспышка света, сопровождаемая многими видами излучений, и верхние слои аккреционного диска выталкиваются за пределы гравитационного поля белого карлика.

Именно эту колоссальную вспышку света мы и видим с Земли как новую звезду, а часть аккреционного диска, отторгнутая при вспышке, — это облако пыли и газа, кольцом расходящееся вокруг постновой.

Процесс ядерного синтеза постепенно затихает, ядерная активность прекращается, и долгий период времени поверхность белого карлика остывает. Затем все начинается сначала, водород, утекая со звезды В, медленно восстанавливает аккреционный диск.

По прошествии какого-то времени происходит новый взрыв. Так новая может взрываться несколько раз, прежде чем звезда В завершит свое расширение и сама будет готова сгуститься в белый карлик. (Известны парные звезды, в которых обе звезды белые карлики, и тогда, если они далеки друг от друга, ни одна из них, пожалуй, никогда не станет новой, потому что в этом случае невозможен переход материи с одной звезды на другую.)

В большинстве случаев первый взрыв новой — самый яркий, в результате о таких новых говорят «девственная новая». Новая Персея, Новая Орла и Новая Лебедя были, вероятно, такими «девственницами».

Второй взрыв может произойти, видимо, не раньше чем через 20 000 лет, и он будет менее ярким. Последующие вспышки все менее и менее значительны. Сам белый карлик способствует интенсивности реакции новой. Белый карлик имеет на поверхности тяжелые ядра — атомы углерода, азота и кислорода, и небольшие их количества могут смешиваться с поступающим водородом. Тяжелые ядра стремятся ускорить выгорание водорода.

Если с водородом смешивается более среднего количества этих тяжелых ядер, то ядерный костер охватывает водородную оболочку особенно быстро, вызывая очень яркую начальную вспышку и следом очень быстрое затухание.

Если углерод, азот и кислород вступают в реакцию сравнительно в малых количествах, то начало реакции идет относительно медленно; последующая вспышка уже не так ярка, а затухание более плавно. Вот почему новые бывают быстрые и медленные.

Итак, условия для образования новой весьма жестки. Неудивительно поэтому, что только немногим звездам галактики удается пройти этот конкурс. Для этого требуется двойная звезда, притом звезда сверхтесная. По сути говоря, наше Солнце тоже не прошло бы такого конкурса. Оно не является частью сверхтесной двойной системы, оно не является частью никакой двойной системы.

С течением времени, может быть через 5 млрд. лет или больше, Солнце истратит весь свой водород, тогда начнется выгорание гелия. С этого момента оно начнет расширяться, превращаясь в красный гигант, и со временем сожмется в белый карлик.