Читать книгу "Вселенная на ладони - Колин Стюарт"

Нейтронные звезды и пульсары

В глубине Крабовидной туманности находятся дымящиеся руины когда-то могущественной звезды. После того как ее плотное ядро из железа скукожилось под прессом собственного веса, она превратилась почти в ничто. Под огромным давлением железо полностью распалось, превратившись, в конце концов, в нейтроны – нейтральные частицы, обнаруженные в центре атомов. Все звезды с массами, от восьми до тридцати раз большими, чем масса Солнца, ожидает именно такой конец: они завершают жизнь, будучи окруженными остатками сверхновой.

Однако степень, до которой нейтроны могут объединяться, имеет границы. Поэтому коллапс нивелируется когда ядро сжимается до сверхвысокой плотности и достигает размера всего 30 километров в диаметре. Все, что остается от красной супергигантской звезды, размеры которой когда-то в 100 тысяч раз превышали размеры Земли, – это шар, меньший по размеру, чем город Лондон. Огромные количества массы сжаты в настолько малый объем, что одна чайная ложка материала из нейтронной звезды будет весить 10 миллионов тонн.

По мере конденсации звезды скорость ее вращения резко увеличивается. Когда-то она, возможно, совершала один оборот вокруг своей оси за несколько недель. Теперь она совершает тридцать оборотов в секунду. Магнитное поле звезды становится более концентрированным и в триллионы раз более мощным, чем у Земли. И как результат, сверхгорячий материал упорядочивается, концентрируясь в мощные пучки, которые устремляются в разных направлениях прочь от полюсов нейтронной звезды.

Это превращает нейтронную звезду в подобие космического эквивалента земного маяка. Если нам случается оказаться на пути вращающихся пучков, мы улавливаем регулярные, повторяющиеся всплески радиоволн. Поэтому эти космические объекты называются пульсарами – от сокращенного словосочетания «пульсирующие звезды».[3]

Пульсары соблюдают периодичность посылки сигналов столь четко и регулярно, что, когда был открыт первый пульсар, Энтони Хьюиш и Джоселин Белл дали ему прозвище LGM-1 (сокращенно от английского Little Green Men 1 – маленькие зеленые человечки). Предполагалось, что ничто в природе не способно сбить или нарушить такой устойчивый ритм. Сегодня мы знаем, что это самые точные определители времени из всех, какие только госпожа Природа может нам предложить. Настолько точные, что астрономы обсуждали возможность их использования в качестве основы для новых форм галактического интернета и GPS – глобальной системы позиционирования. Мы также использовали их несколько раз для того, чтобы сообщить о нашем местоположении в галактике потенциальным разумным цивилизациям.

ВСПЫШКИ ГАММА-ЛУЧЕЙ

Если вы думали, что сверхновые звезды очень мощные, то они ничто по сравнению с яростью и неистовством вспышек гамма-лучей (ВГЛ). Эти лучи способны выделять за какие-то сорок секунд больше энергии, чем Солнце за все 10 миллиардов лет своего существования, и регистрируются из всех концов Вселенной в течение уже миллиардов световых лет как яркие источники света. Гамма-лучи были открыты в 1967 году со спутников, запущенных в космос в разгар холодной войны и предназначенных для выявления секретных полигонов ядерных испытаний.

ВГЛ подразделяются на две категории: краткие (менее двух секунд) и длительные. Они во многом и сегодня остаются загадкой, однако длительные, как предполагается, являются результатом детонации массивных звезд в качестве сверхновых. Краткие ВГЛ – которые составляют около 30 % всех ВГЛ, – вероятно, результат столкновения двух нейтронных звезд.

К счастью, все ВГЛ, обнаруженные до настоящего времени, находятся в отдаленных от нас областях Вселенной. Между тем, ВГЛ, затрагивающие нашу Солнечную систему, имели бы для нас катастрофические последствия. Если бы Земля оказалась под воздействием пучка ВГЛ – что чрезвычайно маловероятно, – наш озоновый слой атмосферы был бы просто уничтожен, как и все живое на Земле.

Черные дыры

Сила гравитации чрезвычайно мала. Несмотря на 6 триллионов триллионов килограммов веса планеты у нас под ногами, мы все же способны подпрыгнуть или взмыть в воздух на самолете. Но наша свобода лишь временное явление – обычно то, что поднялось, должно рано или поздно опуститься. Конечно, если мы не запустим в небо что-нибудь невероятно быстрое. Если бы вы могли подпрыгнуть со скоростью одиннадцать километров в секунду, вы оказались бы за пределами влияния сил земной гравитации, прежде чем она притянула бы вас обратно вниз. Эта скорость отрыва – то, чего должны достичь ученые специалисты в области ракетостроения, если они хотят вывести свои грузы и оборудование на орбиту.

Чем больше и компактнее масса объекта, тем выше ее скорость отрыва. Юпитер, Солнце, белые карлики и нейтронные звезды имеют большую, возрастающую по списку скорость отрыва. Между тем, разрушающиеся ядра крупнейших звезд создают объекты настолько плотные, что их скорость отрыва превышает даже скорость света. Поскольку ничто не может перемещаться по Вселенной быстрее, чем свет, ничто не может обойти или избежать этих черных дыр. Отсюда их название – они имеют черный цвет, потому что весь свет, падающий на них, полностью поглощается.

Если вы окажетесь слишком близко к ним, то навсегда будете захвачены гравитацией черных дыр. Никакой ракетной силы не хватит для того, чтобы освободить вас из их смертоносных объятий. Точка невозврата из черных дыр известна как горизонт событий. Проходя через нее, вы не заметите ничего особенного, но при этом раз и навсегда определите свою судьбу. Предположим, что вы двигаетесь вперед ногами. Черная дыра будет притягивать вас сильнее за ноги, чем за голову. В конце концов, разница начнет превышать силу атомных связей, удерживающих вас в целостности, и вас разорвет на части. Физики называют этот процесс спагеттификацией.

Где закончат свое существование ваши спагеттифицированные части? Это один из самых интригующих вопросов современной физики. Если следовать общей теории относительности Эйнштейна буквально, то она утверждает, что ядра звезд распадаются на бесконечно малые, бесконечно тяжелые точки, называемые сингулярностью. Пространство и время здесь в буквальном смысле этого слова останавливаются. Считается, что попадающий в нее материал добавляется к сингулярности.

Когда наиболее массивные звезды умирают, они искривляют пространственно-временной континуум до такой степени, что образуются черные дыры – объекты, от которых ничто не может убежать

Однако похоже, что на этом история не заканчивается, поскольку здесь не учтены факторы, действующие в пределах законов квантовой физики, описывающие поведение Вселенной в наиболее малых шкалах.

Гравитационные волны

День 14 сентября 2015 года станет знаковым в истории науки. В этот день мы открыли беспрецедентное окно во Вселенную. Но история началась в галактике, находящейся на очень, очень большом отдалении от нас. Около 1,3 миллиарда лет назад две черные дыры – каждая по массе в тридцать раз больше нашего Солнца – столкнулись друг с другом, предварительно описав готовокружительную сходящуюся смертельную спираль.