Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли - Элизабет Таскер

Любая звезда постоянно стремится сжаться под действием собственной гравитации, но этому препятствует выделение тепла в результате горения вещества в ее недрах. Поглощая эту энергию, атомы, из которых состоит звезда, переходят в возбужденное состояние и начинают сопротивляться коллапсу. Применительно к звездам термин «горение» означает не химическое горение, знакомое нам всем по кострам в турпоходах, а слияние легких атомов в более тяжелые. Этот процесс называют термоядерным синтезом.

Благодаря меньшей силе отталкивания положительных зарядов ядер легкие атомы более склонны к синтезу, чем тяжелые. Вот почему в звездах начинается слияние атомов водорода в гелий. Чтобы эта реакция состоялась, она должна протекать при умопомрачительно высоких температурах, способных обеспечить такую скорость столкновения атомов, которой будет достаточно для преодоления электрического отталкивания. Температуры солнечного ядра, достигающей 15 млн градусов, для этого достаточно. Из-за большей атомной массы образовавшийся гелий опускается к центру звезды, оставляя водороду пространство для продолжения синтеза во внешней оболочке. Как только у звезды заканчивается топливо, верх одерживает гравитация. Дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы.

В случае со звездой, похожей на наше Солнце, тяжелое гелиевое ядро сжимается под действием собственной более мощной гравитации. Температура повышается, и звезда начинает раздуваться в размерах. По мере расширения внешние слои остывают, испуская свет красного оттенка. Поэтому такую звезду называют красным гигантом. В итоге температура в ядре достигает 100 млн градусов, и начинается термоядерная реакция превращения гелия в углерод. Более тяжелый углерод опускается ниже гелия, образуя еще более плотное ядро. Массы звезды вроде нашего Солнца недостаточно, чтобы обеспечить повышение температуры при сжатии углеродного ядра до значения, при котором начнется слияние ядер углерода. Вместо этого под воздействием тепловой энергии ядра внешние слои умирающей звезды рассеиваются, оно теряет половину своей массы и сжимается до размеров Земли. Такую звезду называют белым карликом.

Финальная стадия эволюции звезды массой более 8 масс Солнца (или солнечных масс) протекает гораздо драматичнее. Благодаря большей массе степень сжатия ядра достигает значений, обеспечивающих горение углерода, а затем и более тяжелых элементов. Дойдя до железа, реакции синтеза прекращаются, так как слияние ядер атомов железа сопровождается не выделением энергии, а ее поглощением. То есть звезда не получает никакого нового импульса от горения. Не имея возможности продолжать генерировать энергию, звезда перестает сопротивляться коллапсу — в результате гравитация побеждает, и звезда схлопывается. Образовавшаяся ударная волна вызывает термоядерный синтез практически всех элементов, и звезда взрывается. Такой взрыв называют вспышкой сверхновой.

При достаточной массе оставшегося после взрыва сверхновой ядра гравитация превращается в неудержимую силу, которая заставляет остатки звезды коллапсировать до тех пор, пока из ловушки гравитационного притяжения будет не в состоянии вырваться даже свет. Так образуется черная дыра. Если после взрыва остается ядро массой 1,4–3 солнечных массы, процесс не может завершиться образованием черной дыры. Вместо этого под действием гравитации ядро сжимается так сильно, что электроны в атомах соединяются с протонами, образуя нейтроны. В результате появляется горячая головня без оболочки — нейтронная звезда — самый плотный класс звезд во Вселенной.

Если диаметр этих трупов звезд уменьшается с миллионов километров до примерно 10–20 км, то их масса превышает массу Солнца более чем на 40%. От поверхности до ядра они состоят из насыщенных нейтронами атомных ядер. При этом доля нейтронов увеличивается с увеличением глубины до тех пор, пока ядерная структура не распадается, превращаясь в подобие супа из нейтронов. На Земле кусочек нейтронной звезды размером с кубик сахара весил бы более 100 млн т — больше, чем все население нашей планеты (правда, нам пришлось бы сильно потесниться).

Несмотря на уменьшение радиуса нейтронной звезды, в результате которого она сжимается до размеров небольшого городка, количество ее вращения остается прежним. Результат можно сравнить с тем, что будет происходить, если вы раскрутитесь в офисном кресле и начнете подтягивать руки к груди, продолжая кружиться. В обоих случаях скорость вращения возрастет[16]. В случае нейтронной звезды, подвергшейся колоссальному сжатию, время обращения уменьшается до считанных секунд.

Хотя нейтронная звезда состоит преимущественно из нейтральных нейтронов, в ней остается около 10% заряженных протонов и электронов, которые обеспечивают сохранение ее магнитного поля[17]. В результате коллапса поле сжимается, становясь в триллионы раз сильнее поля Земли. Магнитное поле вспарывает поверхность вращающейся звезды и вытягивает оставшиеся протоны и электроны из коры, направляя их вдоль силовых линий к магнитным полюсам. Лавируя при движении по силовым линиям, заряженные частицы испускают радиоволны вместе с мощным рентгеновским излучением, гамма-излучением и видимым светом. Там, где силовые линии магнитного поля сходятся на полюсах, излучение собирается в пучки, которые распространяются по космосу вместе с ветром из заряженных частиц.

Северный и южный полюсы магнитного поля могут не совпадать с осью вращения звезды. Именно так обстоит дело на Земле: ось магнитного поля нашей планеты наклонена на 11 градусов к ее оси вращения. Из-за этого смещения пучки излучения нейтронной звезды разлетаются в разные стороны от звезды, словно луч света от вращающегося маяка. Если траектория движения пучка проходит через Землю, при каждом обороте нейтронной звезды до нашей планеты добираются регулярные импульсы излучения. Именно эти импульсы и обнаружила Белл Бернелл, прозвав их «маленькими зелеными человечками».

Беря интервью у Белл Бернелл в 1968 г., научный корреспондент The Daily Telegraph поинтересовался у исследовательницы, как следует называть эти странные мерцающие объекты. Сам он предложил называть их пульсарами по аналогии с квазарами — теми яркими, но не пульсирующими источниками радиоизлучения, которые Белл Бернелл собиралась изучать с помощью выстроенного ею телескопа. Этот вариант вошел в научный обиход и стал повсеместно использоваться в качестве названия нового типа астрономических объектов.

Выяснив, что источником импульсов является быстро вращающийся пульсар, Белл Бернелл и Хьюиш решили переименовать загадочный объект, заменив аббревиатуру LGM-1 на CP 1919, где буквы CP — сокращение от Cambridge Pulsar («кембриджский пульсар»), а цифры 1919 указывают на угловое расстояние от нулевой точки на небесном экваторе в восточном направлении. Позже она получила свое нынешнее официальное обозначение — PSR B1919+21, где PSR означает пульсирующий источник радиоизлучения (Pulsating Source of Radio), дополнительные цифры 21 указывают на то, что склонение объекта к северу от небесного экватора составляет 21 градус, а буква B сообщает о формате записи координат.