Загадки для знатоков: История открытия и исследования пульсаров. - Павел Амнуэль

Мы, пожалуй, увлеклись развитием воображения, а ведь наше расследование еще не закончено. Мы узнали, как астрономы открыли пульсары — нейтронные звезды. Но можем ли мы сказать, что такое взрыв сверхновой: трагическая случайность или закономерный конец, ожидающий каждую звезду, масса которой больше чандрасекаровского предела? Или иначе. Всегда ли пульсар — нейтронная звезда — является на свет после взрыва сверхновой? На эти и на многие другие вопросы еще предстояло ответить…

Глава восьмая

«Тихий» коллапс. Подсчеты вспышек. Почему вспыхивают сверхновые! Перспективы

…Почти в каждой детективной новелле наступает такой момент, когда исследователь собрал все факты, в которых он нуждается…

Эти факты часто кажутся совершенно странными, непоследовательными и в целом не связанными. Однако великий детектив заключает, что в данный момент он не нуждается ни в каких дальнейших розысках и что только чистое мышление приведет его к установлению связи между собранными фактами. Он играет на скрипке или, развалясь в кресле, наслаждается трубкой, как вдруг, о Юпитер, эта самая связь найдена…

Подойдем к проблеме систематически. Есть сверхновые и есть пульсары. Мы связали их однозначно, но правильно ли это? В системе «пульсары и сверхновые» есть несколько подсистем. Вариант первый: все пульсары рождаются при взрыве сверхновой, и при взрыве каждой сверхновой рождается пульсар. Вариант второй: не все пульсары рождаются при взрывах сверхновых. Вариант третий: не каждый взрыв сверхновой приводит к рождению пульсара. Третий вариант можно в свою очередь разделить на элементы. Один элемент: взрыв сверхновой приводит к образованию не пульсара — нейтронной звезды, а черной дыры. Другой элемент: при взрыве сверхновой звезда разваливается полностью, никакого звездообразного остатка вовсе не образуется. Третий элемент: при взрыве сверхновой нейтронная звезда возникает, но не проявляет себя как пульсар по тем или иным причинам…

Видите, сколько возможностей? А мы все время говорили об одной. В ходе расследования нам нужна была рабочая гипотеза, но сейчас, когда нам скоро предстоит поставить точку, нужно исследовать и другие возможности. Например: образование пульсара без такого катастрофического явления, как взрыв сверхновой. «Тихо», без театральных эффектов.

Казалось бы, в этом рассуждении уже есть ошибка. Мы ведь говорили, что потенциальная гравитационная энергия нейтронной звезды составляет примерно 1053 эрг. Эта энергия должна выделиться при сжатии, при катастрофическом коллапсе звезды. Не может же она исчезнуть! И выделиться эта энергия обязана быстро — ведь процесс катастрофического коллапса продолжается секунды, самое большее минуты.

Все это верно. Но в какой форме эта энергия выделяется — вот вопрос! Мы все время считали, что энергия выделяется в основном в форме лучистой энергии вспышки и кинетической энергии разлета оболочки. Но вспомним — вся эта энергия, с которой связывается взрыв сверхновой, вряд ли больше 1051 эрг. Это ведь сотая доля той энергии, которая должна в действительности выделиться!

Что же получается? Вспышка сверхновой недостаточна — она не столь энергична, как нужно. Но если она недостаточна, то зачем она вообще нужна? Почти вся энергия — около 99 % — выделяется в неизвестной нам пока форме. Но сказать «почти вся» или «вся» — разница невелика. Вполне могло быть и так, что пульсар образовался, коллапс произошел, а сверхновая не вспыхнула — некая, еще не известная нам причина унесла не почти всю, а полностью всю энергию…

Однако мы ведь видим вспышки сверхновых своими глазами! Правда, из этого следует только то, что какая-то часть (может, большая, а может, и малая, заранее этого не скажешь) нейтронных звезд рождается с грандиозным фейерверком, а другая часть — без внешних эффектов. Энергия куда-то уходит, вот и все.

Куда и как? Обратимся к морфологическому анализу. Давайте перечислим, какие виды энергий существуют в природе, кроме кинетической и лучистой.

Например, гравитационное излучение. Расчеты, однако, показывают, что на гравитационное излучение уходит тоже всего несколько процентов полной потенциальной энергии. Волны тяготения — все равно, что помощь мышонка в вытягивании репки. Правда, вытянул ее именно мышонок, но что бы он делал, если бы бабка да дедка не взяли на себя 99 % труда? Вот нам и нужно найти для нашей задачи таких бабку и дедку…

Тепловая энергия. Энергия тяготения переходит в тепло, а уж тепло… Нет, тепловая энергия тоже не годится. Звезда теряет тепло с поверхности, и это медленный процесс. Продолжается он не секунды месяцы и годы.

Есть еще ядерная энергия, энергия частиц. Как мы увидим, здесь и скрывается решение. Но это — позднее. Оставим на время физический подход и попробуем подойти к проблеме с точки зрения астрофизики. Допустим на минуту, что смерть звезды всегда сопровождается грандиозным фейерверком. Подсчитаем, сколько звезд с массами больше чандрасекаровского предела умирают ежегодно в Галактике. И подсчитаем отдельно, сколько ежегодно возникает в Галактике пульсаров. И если оба числа точно совпадут…

Если оба числа точно совпадут, это может оказаться и случайностью. Вспомним, как все 12 сверхновых, обнаруженных Р. Минковским и Ф. Цвикки в тридцатых годах, оказались сверхновыми первого типа. Был сделан «естественный» вывод: все сверхновые именно такие. Слишком уж мала была вероятность случайного совладения. Сейчас мы знаем, однако, что сверхновые I и II типов вспыхивают в спиральных галактиках почти одинаково часто. Или пример Крабовидной туманности — счастливая, богатая загадками, случайность.

Можно привести немало примеров из истории астрономии, когда случайности, статистические отклонения определяли развитие исследований на годы и десятилетия. Но случайности только оттеняют закономерности. Нужно все же исходить из того, что все в природе происходит с закономерностью. При этом нужно помнить, что речь идет о закономерности статистической, где всегда есть, конечно, риск случайного совпадения или отклонения. Если каждый год рождается, скажем, одна нейтронная звезда, и если каждый год происходит одна вспышка сверхновой, и если мы к тому же знаем, что эти два явления связаны, то из этого следует с определенной вероятностью, что связаны они однозначно.

Прежде чем перейти к числам, давайте проследим жизненный путь звезды с самого момента ее рождения.

Звезды рождаются при конденсации межзвездного газа. Газ сжимается под действием собственного тяготения. Разваливается на сгустки. Каждый сгусток продолжает сжиматься, пока недра его не станут настолько горячи, что начинают идти ядерные реакции. Так рождается звезда.

Звезды при рождении имеют самые разные массы. И чем больше масса звезды, тем меньше вероятность ее рождения. Самые распространенные звезды в Галактике — это карлики с массой меньшей, чем масса Солнца. Время их жизни так велико, что даже те карлики, которые родились вместе с Галактикой, еще не завершили эволюцию. А вот массивные звезды, напротив, живут недолго. Звезда с массой 10 масс Солнца светит так ярко, что весь свой запас ядерного топлива сжигает за 100 миллионов лет. И гибнет. Если бы такие звезды не возникали постоянно и в наши дни, то давно бы ни одной массивной звезды в Галактике не осталось. Существует так называемое динамическое равновесие — сколько звезд с данной массой ежегодно рождается, столько же примерно и умирает. Так что общее число таких звезд остается без изменения.

Мы хотим знать, сколько звезд данной массы ежегодно умирает в Галактике. Из наблюдений обычных звезд мы можем, однако, определить, да и то приблизительно, только число рождений. Впрочем, если мы говорим, что умирает ровно столько звезд данной массы, сколько рождается, то достаточно, казалось бы, определить число рождений…

На самом деле все не так просто. Звезда проходит нелегкий жизненный путь, ядерные реакции в ее недрах то затухают, то идут более интенсивно. Меняются источники энергии — когда кончаются запасы водорода, начинают «сгореть» более тяжелые элементы. Кроме того, недра звезды постоянно «клокочут» — одни слои поднимаются вверх, другие опускаются, вещество перемешивается. Из-за этих, а также из-за множества других причин звезда постоянно «худеет» — теряет вещество. Масса звезды перед смертью оказывается заметно меньше той, что была при рождении. А сколько именно вещества звезда успевает потерять — точно неизвестно. Вот еще одна загадка, и, не разгадав ее, никто не сможет сказать, сколько именно звезд в Галактике имеют перед смертью массу большую, чем чандрасекаровский предел. Ведь если масса звезды в конце эволюции окажется меньше, чем 1,4 массы Солнца, то возникнет «всего лишь» белый карлик. Рождение белого карлика сопровождается красивым явлением — образованием и расширением так называемой планетарной туманности. А рождение нейтронной звезды? Можно ли наконец сказать, что оно всегда сопровождается взрывом сверхновой?