Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

С тех пор прошло 35 лет — срок немалый, и теоретики придумали множество версий частиц темной материи (не только холодной). В частности, есть основания считать, что темная материя может состоять из аксионов. Как ни странно, эти сверхлегкие частицы, если они существуют, должны двигаться с нерелятивистскими скоростями — то есть это «холодная» темная материя. Для поиска различных кандидатов в частицы темной материи, в том числе и аксионов, экспериментаторы сконструировали и опробовали множество детекторов. Однако воз и ныне там. Темную материю десятилетия ищут на различных установках во многих странах, но пока безуспешно.

Причем же здесь затухающие звезды? Дело в том, что имеющиеся данные по осциллирующим белым карликам дают слабое (но все же реальное!) указание на возможность физического взаимодействия аксионов с электронами. Если это так, то порожденное аксионами электромагнитное излучение должно влиять на скорость остывания белых карликов, и этот эффект можно отследить по изменениям их кривых блеска. Детальный анализ отклонений наблюдаемой светимости белых карликов от результатов модельных вычислений темпов их охлаждения, начатых в свое время еще Местелом, также указывает на такую возможность. Это очень интересное направление исследований, которое еще раз демонстрирует неразрывность глубинных интересов астрофизики и физики элементарных частиц.

Но это далеко не все. Сейсмология белых карликов может также дать информацию о дипольном магнитном моменте нейтрино. Согласно Стандартной модели элементарных частиц, он равен нулю, однако, как допускают многие теоретики, в реальности может иметь ненулевое значение. Наконец, не исключено, что анализ пульсаций белых карликов позволит ответить на вопрос, не изменяется ли во времени и пространстве гравитационная постоянная, которая в эйнштейновской ОТО считается абсолютной константой. Вот как много можно получить (или хотя бы надеяться получить) от этих догорающих «звездных останков»!

До сих пор речь шла о феноменологии белых карликов. Но возникает естественный вопрос — чем объяснить столь высокую плотность их вещества? Интересно, что в общих чертах ответ был найден, когда группа известных белых карликов ограничивалась одной лишь классической триадой.

Первую математическую модель белого карлика построил английский физик Ральф Фаулер. Однако исторической полноты ради начать надо не с него. Во второй половине XIX в. американский инженер Джонатан Гомер Лейн, профессор механики Политехнического университета в Аахене Август Риттер и великий британский физик-универсал Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, разработали весьма продвинутые для своего времени математические модели Солнца и звезд, основанные на классической термодинамике и физике газов. Детальный рассказ об этой теории заводит нас слишком далеко в историю астрономии, но одну вещь нельзя не упомянуть. Все трое исходили из предположения, что давление в любой точке внутри звезды пропорционально локальной плотности ее вещества, возведенной в некоторую степень. Эта зависимость называется политропным уравнением состояния вещества. Например, для идеального газа (вспомним школьную физику) давление при изотермических процессах (то есть при постоянной температуре) пропорционально плотности, поэтому показатель степени в данном случае равен единице; если процесс адиабатический — он больше единицы (5/3 для одноатомного газа). Несмотря на то что эти модели значительно упрощали реальную ситуацию, они позволяли воспроизвести в теории целый ряд реальных особенностей поведения звездной материи.

В качестве примера стоит привести очень нетривиальную для своего времени модель возникновения Солнца (а фактически и любых звезд) из газовых сгущений, которую в 1869–1870 гг. предложил Лейн. Он рассматривал сферическое облако идеального газа, свободно парящее в космическом пространстве. Когда под действием взаимного притяжения частицы газа стягиваются к центру облака, их потенциальная энергия уменьшается (подобно уменьшению потенциальной энергии тела, падающего на землю). Коль скоро полная энергия газа должна сохраниться, средняя скорость хаотического движения его частиц возрастает — и, следовательно, температура газа увеличивается. Лейн показал, что коллапсирующее облако может выбросить в пространство часть своей энергии в виде теплового излучения, но при определенных условиях все равно продолжит стабильно нагреваться. Описывая эти процессы с помощью дифференциальных уравнений, Лейн исходил из того, что состояние газа можно смоделировать посредством степенной зависимости давления от плотности. В своих вычислениях он испробовал политропы с показателями 5/3 и 1,4.