Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Есть и альтернативные объяснения природы сверхновых. Не исключено, что они вспыхивают и в звездных парах, состоящих из двух белых карликов. При вращении вокруг общего центра инерции они излучают гравитационные волны, теряют кинетическую энергию, сближаются и, в конце концов, сталкиваются и сливаются. Результаты таких слияний описываются множеством моделей. Некоторые сценарии именно таким образом объясняют взрывы сверхновых типа Ia — иногда с задержкой на тысячи и десятки тысяч лет, а иногда практически сразу после столкновения. Споры на эту тему идут уже лет пятнадцать, и конца им не видно.

Итак, все белые карлики обречены на постепенное остывание, однако они расстаются с теплом намного сложнее, чем раскаленный кусок железа. На охлаждение белого карлика влияет множество физических процессов в ядре и плазменной оболочке. Один из них, и вероятно, самый парадоксальный, был впервые предсказан в двух статьях, опубликованных в 1960 г. в «Журнале экспериментальной и теоретической физики». Первую работу «Внутренняя структура сверхплотных звезд» еще в августе 1959 г. представил в редакцию сотрудник теоретического отдела ФИАН имени Лебедева Давид Абрамович Киржниц. Вторая статья «Некоторые свойства сильно сжатого вещества» появилась за подписью ученика великого Ландау и тоже будущего лауреата Нобелевской премии Алексея Алексеевича Абрикосова, работавшего в те времена в Институте физических проблем. К аналогичным выводам годом позже пришел Эдвин Солпитер, чье имя уже встречалось в связи с обсуждением звездного нуклеосинтеза.

Вслед за этими исследованиями появились новые модели белых карликов, учитывавшие большее число факторов, нежели модель Чандрасекара. Например, Солпитер и Хамада показали, что численная величина предела Чандрасекара меняется (в среднем примерно на 10 %) в зависимости от химического состава белого карлика [26] Hamada T. and Salpete E. E. Models for Zero-Temperature Stars // Astrophysical Journal (1961), 134: 683–698. . Так, если бы ядро белого карлика состояло из чистого углерода, он был бы обречен на гравитационный коллапс при массе, чуть меньшей 1,4 солнечной. Для чисто железного белого карлика предел Чандрасекара оказался бы еще меньше — 1,1 массы Солнца. Конечно, эти случаи нефизичны в том смысле, что белых карликов ни в чисто углеродном, ни тем более в железном виде просто не существует. Однако в теоретическом плане результаты Хамады и Солпитера оказались очень глубокими и значительно повлияли на дальнейший прогресс теории белых карликов.

Но самое интересное в другом. Киржниц, Абрикосов и Солпитер предсказали, что при достаточном охлаждении вещество белого карлика радикально изменяет свою структуру. Все эти ученые рассуждали примерно одинаково. С конца 1920-х гг. было известно, что вещество в центре карлика состоит из погруженных в электронный газ положительных ионов (фактически голых ядер) тех элементов, которые образовались на заключительной стадии термоядерного синтеза. Однако астрофизики еще долго не могли выяснить, на каком рубеже этот синтез прекращается. Киржниц в своей фундаментальной работе предположил, что средний атомный номер таких элементов равен десяти, и почти угадал — в таблице Менделеева углерод занимает шестое место, а кислород — восьмое.

Теперь вспомним, что атомы в центре белого карлика теряют электроны, которые полностью обобществляются. Таким образом возникает чрезвычайно плотный электронный газ, «омывающий» ионы углерода и кислорода. Электроны заполняют все возможные квантовые состояния, энергия которых не превосходит энергии Ферми. В ядрах белых карликов она намного больше и энергии теплового движения, и энергии электрических связей между электронами и ионами. Поэтому плотность электронного «моря» постоянна и практически не зависит от движения ионов. Сами же ионы в этих условиях ведут себя как классические частицы, взаимодействующие между собой согласно закону Кулона. Такая система, как уже говорилось, называется кулоновской плазмой.

А теперь самое интересное. Пока ядро карлика остается очень горячим, ионы совершают хаотические движения, и кулоновская плазма мало чем отличается от идеального газа. Однако при снижении температуры кулоновское взаимодействие между ионами вынуждает их переходить от хаоса к геометрическому порядку. Погруженные в электронное «море» ионы образуют правильную периодическую решетку — то есть перестраиваются в кристаллическую структуру. Это происходит потому, что решетка имеет меньшую энергию, нежели хаотическое распределение ионов (точнее, речь идет о свободной энергии, но это уже тонкости термодинамики). Как говорят физики, такая перестройка (то есть кристаллизация ионов) энергетически выгодна. Этот процесс в принципе ничем не отличается от замерзания воды при нулевой температуре. Те, кто помнит школьную физику, сообразят, что в ядре белого карлика имеет место фазовый переход первого рода.