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

Большинство ярких рентгеновских источников — это двойные звездные системы. Одна звезда в системе — обычная. А вторая — релятивистская: нейтронная звезда или даже черная дыра. Мы говорили, что звезды, эволюционируя, «худеют», теряют вещество. В двойной системе звезда теряет массу охотнее — ведь рядом находится другая звезда, и ее тяготение буквально «выдирает» вещество с поверхности звезды-соседки. Возникает поток плазмы — струя течет от обычной звезды к релятивистской. Около релятивистской звезды образуется нагретый до миллионов градусов газовый диск, где и возникает рентгеновское излучение.

И вот что важно. Если нейтронная звезда одиночна (как, например, южная звезда в Крабовидной туманности), то измерить ее массу прямыми наблюдениями невозможно — современная астрономия таких методов не знает. Иначе обстоит дело, если нейтронная звезда входит в двойную систему. Законы Кеплера связывают период обращения звезд в двойной системе, расстояния между звездами и их массы. Период обращения звезд друг около друга надежно и очень точно определяется из наблюдений. Например, в системе рентгеновского источника Геркулес Х-1 нейтронная звезда, обращаясь около звезды обычной, каждые 1,7 суток скрывается за ней. Происходит затмение рентгеновского источника. Значит, и период обращения звезд в этой системе равен именно 1,7 суток. Теперь можно оценить и массы звезд. По современным данным, нейтронная звезда здесь имеет массу 1,3–1,5 массы Солнца. Такая же нейтронная звезда находится в системе Центавр Х-3 и, видимо, в знаменитой системе Скорпион Х-1, первом из открытых рентгеновских источников.

А вот в системе Лебедь Х-1 нейтронной звезды, по-видимому, нет. Дело в том, что релятивистская звезда здесь имеет массу не менее 3 масс Солнца. Нейтронная звезда не может быть такой массивной! Так утверждает теория. Значит, здесь черная дыра? Астрофизики все больше склоняются к мнению, что так оно и есть. Но сомнения все же остаются, потому что все аргументы — косвенные. Да, масса релятивистского компонента велика. Но, может, теория все-таки ошибается? Существуют работы, согласно которым нейтронная звезда может обладать массой до 5 масс Солнца. Да, рентгеновский источник Лебедь Х-1 обладает странной особенностью — его излучение испытывает хаотические колебания яркости, меняясь за очень короткое время — сотые доли секунды. Это совсем не характерно для нейтронной звезды-пульсара, но похоже на то, как должен излучать газ вблизи от черной дыры. Но и это лишь косвенная улика! И все же астрофизики почти уверены в том, что в системе Лебедь Х-1 находится черная дыра.

Что ж, обнаружить и старую нейтронную звезду, давно переставшую быть пульсаром, и даже черную дыру можно, если они находятся в двойной системе, если они «вытягивают» к себе вещество звезды-соседки. Увидеть мы можем, но речь идет о том, чтобы узнать — сколько их, этих старых нейтронных звезд и этих загадочных черных дыр. Ведь мы взялись ответить на вопрос: как часто они образуются? Всегда ли при взрывах сверхновых? Пульсары нам ответа не дали — слишком ненадежны, неточны числа. Не помогут и рентгеновские двойные системы — здесь статистика еще хуже, очень многое приходится оценивать «на глазок»… Так и не могут астрономы-наблюдатели даже через двадцать лет после открытия пульсаров ответить на простой, казалось бы, но очень каверзный вопрос, заданный Ф. Цвикки более чем полвека назад.

Если не могут помочь наблюдения, может быть, обратиться к теории?

Теорию вспышек массивных звезд как сверхновых начали впервые разрабатывать в 1966 году У. Фаулер и Ф. Хойл. Их коллеги С. Колгейт и Р. Уайт продолжили исследования, рассмотрев, как могут взрываться менее массивные звезды — до 1,5 массы Солнца.

Вы еще не забыли о противоречии, о котором говорилось в начале этой главы? Коллапс протекает очень быстро — за минуты или даже секунды должна выделиться энергия до 1053 эрг. Но такая большая энергия не может выделиться так быстро. Нам неизвестен механизм, который мог бы отобрать у звезды и рассеять в пространстве 1053 эрг энергии за считанные секунды! Как избавиться от противоречия? Либо отказаться от быстрого коллапса, либо придумать «холодильник», который отбирал бы у звезды излишки энергии и рассеивал их. Оставлять энергию в коллапсирующем ядре звезды нельзя — огромные, в сотни миллиардов градусов, температуры замедлят коллапс и могут даже остановить его, а нам это вовсе ни к чему. Что делать?

Воспользуемся опять теорией решения изобретательских задач — ведь нам нужно сделать научное изобретение. В ТРИЗ первый шаг к решению задачи заключается в формулировке так называемого ИКР — идеального конечного результата. Что должно произойти в идеальном случае? В идеальном случае выделяющаяся потенциальная энергия должна превращаться в такой вид энергии, который сам и беспрепятственно исчезал бы из звезды. Была энергия — и нет ее! А все остальное вещество и не почувствовало.

Психологическая инерция возражает — это невозможно… Но все-таки, что мешает энергии сразу исчезнуть из звезды? Мешает плотное вещество звезды, которое при коллапсе еще больше уплотняется. Энергия пробирается наружу постепенно, преодолевая слой за слоем. Мы уже говорили раньше, что тепло, выделившееся в центре Солнца, достигнет его поверхности через многие годы. При коллапсе все процессы идут быстрее, потому что температура значительно выше, но и тогда речь идет о днях, часах, но не о секундах!

Итак, помеха ясна: звезда непрозрачна для энергии. Что нужно сделать, чтобы устранить помеху?

Нужно сделать звезду прозрачной. Разве нет в природе частиц, для которых прозрачна любая звезда? Частиц, которые способны пронизать звезду и, не почувствовав этого, улететь в космос? Есть такие частицы — нейтрино!

Итак, нужно, чтобы в сжимающемся ядре звезды прошли реакции с выделением нейтрино. Нейтрино уйдут в пространство и унесут весь излишек энергии. Все 1053 эрг, не избавившись от которых мы не сможем сформировать нейтронную звезду.

Именно такое решение и описали в своей работе С. Колгейт и Р. Уайт. При катастрофическом коллапсе электроны захватываются протонами, возникают нейтроны и нейтрино. Реакция нейтронизации, мы уже говорили о ней. В сущности, мы убиваем двух зайцев. Получаем нейтроны, из которых состоит нейтронная звезда, и нейтрино, которые уносят огромную энергию. После С. Колгейта и Р. Уайта было проведено очень много расчетов катастрофического коллапса, и сейчас уже общепризнанно, что именно нейтрино и антинейтрино уносят из звезды практически всю выделившуюся гравитационную энергию. Около 1053 эрг.

Нейтрино в принципе могут унести и всю энергию без остатка. На самом же деле в процессе катастрофического сжатия наступает момент, когда даже вездесущие нейтрино не могут больше «продраться» сквозь вещество звезды. Нейтрино начинают поглощаться. Те нейтрино, которые успели покинуть звезду, уносят почти всю энергию, а те, что остались вдруг запертыми, наталкиваются на вещество ядра как на стенку, поглощаются этим веществом, передают ему свою, все еще большую энергию, и… оболочка, получив запас энергии и импульса, разлетается. Взрыв сверхновой!

Это хорошая идея. И от энергетической проблемы избавились, и взрыв сверхновой получили. Но каждую идею нужно подтверждать расчетами. Такие расчеты были в большом количестве проведены в СССР (группа В. С. Имшенника) и в США (группа Д. Арнетта). Проделана огромная работа, следствием которой стал странный вывод: взрыва не происходит. То есть оболочка, поглотив нейтрино и напитавшись энергией, конечно, разлетается, но… поглощенной энергии оказывается слишком мало, и скорость разлета получается небольшой, раз в двадцать меньше наблюдаемой. Все равно как если бы вместо взрыва гранаты лопнул воздушный шарик…

Советские ученые С. С. Герштейн, Л. Н. Иванова, В. С. Имшенник и другие в конце концов заключили, что взрыв все же можно получить, если принять: ядро коллапсирующей звезды имеет аномально большую плотность. Нереальную по нынешним представлениям: около 5 тысяч т/см3. Чтобы получить такую плотность в ядре, советские ученые ввели еще одно допущение — коллапсирует звезда в двойной системе, да еще при условии, что на нее перетекает вещество с поверхности соседней, нормальной звезды. Возникает внешнее давление, которое и позволяет ядру коллапсирующей звезды сжаться больше, чем обычно. Но тогда получается, что сверхновые могут вспыхивать лишь в тесных двойных системах, да не в любых, а в тех, где идет процесс перетекания вещества. А как же быть с одиночными звездами?

Возникает очередное противоречие. С одной стороны, мы утверждаем, что при взрыве звезды образуется звездный остаток и выбрасывается оболочка — так говорят наблюдения. А с другой стороны, теория утверждает, что при взрыве звезда может разлететься полностью. Либо коллапсировать практически без взрыва. Либо оболочка без звездного остатка, либо звездный остаток без оболочки. А нам нужно и то и другое. Ясно, что нужно что-то менять либо в теории (так мы придем к научному изобретению), либо в интерпретации наблюдений (а это уже пахнет возможным открытием!).