Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

За секунду или еще быстрее ядро звезды коллапсирует. Невероятно горячий газ в несколько масс Солнца сжимается в сферу диаметром не более 25 км – размером примерно с Лондон или Париж. Этот сверхплотный шар ядерного вещества – почти 100 000 т в каждом кубическом миллиметре – называется нейтронной звездой. Итак, нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, израсходовавшей ядерное топливо.

Почему эти звезды называются нейтронными? Как вы, наверное, догадались, потому что состоят из нейтронов. До сих пор я о нейтронах не упоминал, но настало время совершить краткую экскурсию по миру субатомных частиц.

Атомы состоят из атомного ядра, окруженного облаком электронов. Электроны – очень легкие частицы, поэтому практически вся атомная масса сосредоточена в его ядре. Но ядро атома не цельная частица. Это комбинация протонов и нейтронов – субатомных частиц практически одинаковой массы.

Количество протонов в ядре атома определяет, что это за элемент. Например, ядро водорода состоит из единственного протона (и не содержит нейтронов). Ядро гелия имеет 2 протона и 2 нейтрона. Ядро углерода больше и массивнее: в нем 6 протонов и 6 нейтронов. В железе тех и других частиц по 26, поэтому одно ядро атома железа в 52 раза массивнее ядра атома водорода. Теперь вы понимаете, что астрономы понимают под «тяжелыми элементами». (У еще более тяжелых элементов количество нейтронов в ядре обычно несколько превышает количество протонов. Например, в ядре цинка 30 протонов и 35 нейтронов.)

В нормальных условиях количество электронов, окружающих ядро атома, равно количеству протонов в ядре: у водорода один электрон, у гелия два, у углерода шесть, у железа 26, у цинка 30 и т. д. Поскольку протоны имеют положительный электрический заряд, а электроны отрицательный, то обычные атомы не имеют заряда. (Нейтроны потому и называются нейтронами, что являются электрически нейтральными.)

В ядре звезды нейтральных атомов нет. Условия настолько экстремальны, что электроны больше не связаны с ядрами атомов. Газ звезды называется плазмой – это смесь заряженных частиц. Положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны существуют по отдельности, как родители и дети, потерявшие друг друга в толпе.

Свободно перемещающиеся электроны играют важную роль в процессе термоядерного синтеза. При взаимодействии с электроном протон может превратиться в нейтрон. Отрицательный заряд электрона и положительный протона взаимно нейтрализуются; остается незаряженный нейтрон. Поэтому 4 ядра водорода (4 протона) могут слиться в одно ядро гелия, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов. Как уже было сказано, в ходе этого процесса также возникают позитроны (античастицы электронов, не играющие роли в нашем рассказе) и нейтрино (элементарные частицы-призраки, к которым мы еще вернемся).

Я понимаю, что это объемная информация. Важно уяснить, что коллапсирующее ядро умирающей звезды-гиганта содержит плазму, состоящую из положительно заряженных ядер атомов железа и никеля и отрицательно заряженных электронов. Более того, число электронов равно числу протонов в атомных ядрах.

Что происходит при финальном взрыве, вызванном гравитацией? Плазма сжимается до непостижимой плотности. Отдельные частицы – ядра и электроны – сближаются. Фактически можно сказать, что электроны насильственно втискиваются в ядра, состоящие из протонов и нейтронов практически в равном количестве. Электронам ничего другого не остается, кроме как взаимодействовать с протонами, превращая их в нейтроны. Менее чем за секунду все протоны исчезают. Остается огромный тяжелый шар из незаряженных нейтронов, упакованных вплотную друг к другу, – нейтронная звезда.

До сих пор мы говорили только о ядре звезды. Какая судьба ждет верхние слои этой «луковицы»? Они тоже станут частью нейтронной звезды? Нет, не станут. Наоборот, внешние оболочки звезды – фактически большая часть ее общей массы – извергаются в пространство во время одного из самых драматических событий во Вселенной – взрыва сверхновой.

Как мы видели, сначала вся звезда начинает коллапсировать, поскольку выработка энергии в ядре, противодействующая гравитационному сдавливанию, практически прекратилась. Однако свободнопадающий газ, масса которого может в пять или шесть раз превышать массу Солнца, врезается в поверхность только что образовавшейся нейтронной звезды. Сжать нейтронную звезду еще плотнее невозможно, и газ останавливается. Энергия его движения обращается в тепло, образуя бурлящий огненный шар, который снова устремляется вовне, сметая все со своего пути, словно гигантский бульдозер.