Об эволюции вселенной
Звезды - колыбель жизни

Итак, в результате Большого взрыва во Вселенной образовались огромные облака космического газа, состоящего на 90% из водорода и на 10% из гелия.

Из этого космического газа, сжимающегося под действием гравитации, возникают звезды. По мере сжатия атомы газа всё чаще сталкиваются друг с другом и приобретают всё большую скорость, в результате чего газ разогревается. В итоге он становится настолько горячим, что атомы водорода уже не разлетаются при столкновениях, а начинают сливаться, образуя атомы гелия. Начинается термоядерная реакция синтеза гелия из водорода.

Тепло, выделяющееся при этой реакции, заставляет звезду светиться. Выделяющееся тепло повышает давление газа до тех пор, пока оно не уравновешивает гравитационное притяжение, и тогда сжатие газа останавливается. Нечто подобное происходит с воздушным шариком: газ, наполняющий резиновую оболочку, стремится растянуть её, но его действие уравновешивают упругие силы в резине, которые пытаются оболочку сократить.

Водород вступает в термоядерную реакцию только в центре звезды. Во внешних слоях для этого недостаточно высокая температура.

Когда водород в центре звезды выгорает, превратившись в гелий, прекращается распирающее давление термоядерной реакции, и гравитация вновь начинает сжимать звезду к центру (шарик сдувается). До тех пор, пока из-за сжатия температура в центре не повысится настолько, что станет возможной дальнейшая ступень реакции - в термоядерную реакцию вступит гелий с образованием следующих, более тяжелых веществ.

Этот цикл выгорания-сжатия повторяется и повторяется, запуская в термоядерную топку все более тяжелые ядра, для реакции которых требуются все более высокие температуры. Например, чтобы запустить реакцию превращения углерода в кислород, нужна температура в 200 миллионов градусов. А для синтеза железа нужна уже температура в 4 миллиарда градусов.

Таким образом, звезда работает, запуская поочередно синтез все более тяжелых химических элементов ступень за ступенью: выгорело легкое топливо, звезда сжалась к центру, увеличив там температуру и давление газа, зажглась вторая ступень реакции, уже на более тяжелом топливе. Реакции эти идут не только последовательно, но отчасти и одновременно - в самом центре звезды могут уже гореть тяжелые элементы, синтезируя еще более тяжелые, в окружающем ядро горячем слое горит гелий, а вокруг него внешним слоем - водород. То есть в каждый момент состав звезды включает в себя множество химических элементов.

После того, как в центре светила в какой-то момент вспыхивает очередная ступень термоядерного синтеза с более высокими температурами, давление излучения становится столь сильным, что раздувает внешние оболочки звезды. И звезда необратимо меняется, превращаясь в красный гигант - спектр ее светимости смещается в сторону красного света, а размер увеличивается во много раз.

Наше Солнце ждет та же участь. Сейчас Солнце находится на стадии сжигания водорода. А потом станут включаться следующие ступени синтеза, Солнце начнет раздуваться в размерах, краснеть, раздуется до размеров земной орбиты и поглотит нашу планету.

Солнце - небольшая звезда, поэтому работает долгое время. Но чем массивнее звезда, тем короче ее жизненный цикл. Объяснение таково: чем массивнее звезда, тем больше тепла требуется для создания давления, противодействующего гравитации. Для этого нужно сжигать больше топлива. Нашему Солнцу его хватит ещё на пять миллиардов лет, но крупные звёзды существуют всего сотню миллионов лет. Этого времени не хватит на то, чтобы на планетах вокруг звезды-гиганта возникла жизнь.

После того, как очередная порция топлива в середине звезды выгорит, там начинается гравитационное сжатие, которому уже не противостоит распирающее излучение.

Поскольку масса Солнца не велика, гравитационного сжатия не хватит на то, чтобы разжечь следующую ступень синтеза - более тяжелых химических элементов. Солнце сбросит свою раздувшуюся внешнюю оболочку, которая в виде туманности разлетится в разные стороны, а серединка Солнца превратится в белого карлика, который будет еще какое-то время излучать в пространство остаточное тепло, пока совсем не остынет.

Таким образом, звезда - это термоядерная фабрика по производству химических элементов. Но звезды производят только элементы легче железа. Как только наработка вещества доходит до железа, дальнейший синтез прекращается.

Почему только до железа? И откуда тогда берутся остальные химические элементы?

Для того чтобы сформировать из двух протонов гелий, нужно сблизить два положительных заряда, преодолев силу их отталкивания. А для того, чтобы сблизить для термоядерного синтеза два больших ядра с множеством протонов, нужно затратить намного больше сил, поскольку их взаимное отталкивание очень велико - много положительных зарядов протонов сопротивляются сближению. Но очень большие ядра неустойчивы в силу того, что ядерные силы короткодействующие, поэтому при наборе положительных зарядов (протонов) их отталкивание начинает преобладать над силами ядерного сцепления. То есть существуют оптимальные значения числа протонов, при которых ядра получаются наиболее устойчивыми. Это ядра, лежащие в таблице Менделеева вокруг железа. Все, что лежит дальше от железа, имеет меньшую стабильность, поскольку расколу будут помогать силы отталкивания протонов в ядре.

Поэтому в районе железа синтез более тяжелых элементов внутри звезд прекращается.

 

Откуда же берутся остальные химические элементы?

Они возникают при взрывах звезд. При этом выделяется столь колоссальная энергия, что ее хватает на синтез тяжелых и сверхтяжелых ядер. Частицы при взрыве получают такие ускорения, что сталкиваются, преодолевая силы электроотталкивания. Именно во время таких взрывов возникают золото, платина, свинец, серебро, уран и другие элементы.

Это явление получило название новых и сверхновых звезд. Вспыхивают они внезапно и светят недолго, после чего гаснут.

Надо понять, что вспышка новой или сверхновой - это не внезапное рождение звезды с ее последующей гибелью. Это взрыв уже существующей звезды. При взрыве выделяется такая энергия, что едва различимая в телескоп звезда сразу переходит в звезды первой величины и возникает впечатление, будто на небе зажглась новая звезда.

Новая звезда увеличивает при взрыве свою яркость в тысячи и сотни тысяч раз. Сверхновая - в миллионы и миллиарды раз.

Представьте себе звездную систему, состоящую из двух кружащихся друг вокруг друга звезд. Одна из этих звезд представляет собой белый карлик, а вторая - большая, но разреженная звезда с низкой плотностью.

Белый карлик своей гравитацией все время притягивает газ с поверхности второй звезды. В результате на поверхности белого карлика образуется слой водорода, который, постепенно накапливаясь и разогреваясь в мощном поле тяготения, взрывается подобно тому, как взрывается водород в термоядерной бомбе. Это не равномерное горение, какое происходит в центре обычных звезд, а именно взрывной процесс резкого выгорания накопившегося на поверхности белого карлика водорода.

Эти вспышки, резко увеличивающие светимость двойной системы в десятки или сотни тысяч раз, могут происходить не раз, а периодически - по мере накопления очередной порции топлива на поверхности белого карлика. Это и называется новой звездой, хотя на самом деле дело происходит в системе двойной звезды. Такого рода вспышка разгорается несколько дней и длится годами, пока весь водород не выгорит. И прекращается до следующего раза.

Вспышка сверхновой случается с очень массивными звездами, которые во много раз тяжелее Солнца. Эти гиганты постепенно, слой за слоем нарабатывают все более и более тяжелые элементы - во внешних слоях еще горит водород, слоем ниже - гелий, ниже кремний, магний, углерод и так далее вплоть до железа, которое синтезируется в самом центре и само быть топливом для дальнейшего синтеза уже не может.

По мере сгорания топлива в центре звезды термоядерное горение, которое распирало центр звезды мощнейшим излучением и противодействовало гравитации, прекращается. Силы гравитации, которым больше ничто не сопротивляется, начинают дальнейшее сжатие вещества в центре. Но поскольку звезда гигантская, ее сила тяготения столь велика, что начинает вдавливать электроны в протоны. При этом образуются нейтроны. Ядра железа превращаются в нейтроны.

Плотность вещества скачком возрастает, то есть центр звезды как бы резко схлопывается вовнутрь. За ним обваливаются к центру внешние слои, в которых шло неспешное послойное равномерное горение. Огромные массы вещества с огромной скоростью устремляются к нейтронному центру звезды, разогреваясь и повышая температуру. Происходит взрыв, который разносит вещество звезды во все стороны, оставляя в центре нейтронную середину.

В момент взрыва разлетающиеся ядра приобретают ту скорость, которая позволяет им преодолевать электрическое отталкивание и сцепляться короткодействующими ядерными силами, образуя более тяжелые, чем у железа, ядра. Затем, по мере разлета и остывания, к ядрам притягиваются электроны. Образуются остальные химические элементы таблицы Менделеева.

За секунды сверхновая выделяет больше энергии, чем все 200 миллиардов звезд в нашей галактике за то же время.

Взрыв длится около месяца (это сущее мгновение по сравнению с миллионами лет жизни звезды). На месте бывшего гиганта, простиравшегося на миллионы километров, остается нейтронная звезда диаметром 20-30 километров, окруженная разлетающейся туманностью.

Однако даже сверхновые - это не предел. Существует такое явление, как гиперновые звезды. Так взрываются звезды, масса которых превышает солнечную более чем в 80 раз. Считается, что именно гиперновые ответственны за самое опасное космическое явление - гамма-вспышки.

Гамма-излучение - это излучение, вызывающее лучевую болезнь. Радиоастрономы засекают в небе невероятно мощные вспышки гамма-излучения, которые длятся от нескольких сотых долей секунды до нескольких суток. Обычно это секунды. Но при этом гиперновая вспышка за секунды излучает такую мощность, сколько за те же секунды все звезды Вселенной.

Одну из зафиксированных астрономами гиперновых можно было разглядеть с Земли невооруженным глазом, потому что вместе с гамма-квантами звезда излучает и в обычном видимом диапазоне. Взрыв произошел в 7,5 миллиардах световых лет от Солнечной системы.

Если такая вспышка произойдет где-нибудь в нашей Галактике, жизнь на Земле будет уничтожена. Ближайшим кандидатом на гиперновую в нашей галактике является Эта в созвездии Киля, находящаяся всего в 7500 световых годах от Солнца. Считается, что в ближайшем астрономическом будущем (10-15 тысяч лет, что по меркам Вселенной практически сегодня) она может превратиться в гиперновую.

Вещество, сброшенное звездой, и служит основой жизни. Пылевые облака под действием гравитационного притяжения собираются вместе, образуя сначала пылевую туманность в виде крутящегося пылевого диска, в центре которого зажигается на остатках водорода новая звезда.

Звезда своим излучением отгоняет более легкие элементы, а более тяжелые остаются ближе к светилу. В результате из более тяжелых элементов постепенно формируются планеты. Это мы можем наблюдать на примере нашей Солнечной системы, где рядом с Солнцем вращаются мелкие, но тяжелые планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс, а дальше от Солнца расположены большие планеты, представляющие собой газовые скопления, типа Юпитера и Сатурна.

 

Судьба звезды зависит от ее массы.

Субраманьян Чандрасекар - американский астроном индийского происхождения - в 30-х годах прошлого века рассчитал, какой величины может быть звезда, способная сопротивляться собственной гравитации после того, как выработано всё топливо. Этот предел позже назвали Пределом Чандрасекара.

В те же годы была опубликована совместная работа американского физика Роберта Оппенгеймера (да, да, того самого, который построил первую в мире атомную бомбу) и канадского физика Д. Волкова по оценке предела массы нейтронной звезды, при которой она не коллапсирует в черную дыру. Этот предел получил название Предела Оппенгеймера-Волкова.

Идея была такова: когда звезда уменьшается в размерах, расстояние между частицами вещества сокращается. Однако принцип запрета Паули не позволяет двум частицам вещества одновременно иметь одно и то же положение и одну и ту же скорость. Частицы должны обладать различной скоростью. Это заставляет их разлетаться в разные стороны, что, в свою очередь, вызывает расширение звезды. Она, таким образом, получает возможность сохранять постоянный радиус за счёт баланса между притяжением, вызванным гравитацией, и отталкиванием, обусловленным принципом запрета Паули, подобно тому, как раньше гравитационное сжатие уравновешивалось расширением, возникающим из-за выделения тепла при ядерных реакциях.

Отталкивание, определяемое принципом запрета, имеет свой предел. Теория относительности ограничивает скорость разлетания частиц вещества в недрах звезды скоростью света. Следовательно, когда звезда достигает некоторой плотности, отталкивание, связанное с принципом запрета, оказывается слабее гравитационного притяжения.

Вычисления показали, что если масса звезды меньше 8 масс нашего Солнца, то в конце жизни она превратится в белого карлика из так называемого вырожденного газа, представляющего собой плотно сбитую тяготением смесь ядер атомов и электронов с радиусом несколько тысяч километров и плотностью порядка сотен тонн на кубический сантиметр. Существование белого карлика поддерживается отталкиванием между электронами в его веществе, что обусловлено принципом запрета Паули. В настоящее время известно большое число белых карликов. Предельная масса белого карлика не превыщает 1,46 массы Солнца.

Если звезда имеет массу от 8 до 30 солнечных масс, гравитация, сжимающая звезду, начнет загонять электроны в протоны, превращая их в нейтроны, и бывшее светило превратится в нейтронную звезду. Такие звёзды тоже обязаны своим существованием отталкиванию, обусловленному принципом запрета Паули, но не между электронами, а между нейтронами и протонами. Они имеют в поперечнике от 20 до 30 километров, а их плотность составляет миллиарды тонн на кубический сантиметр. Такие объекты также обнаружены в космосе. Предельная масса нейтронной звезды на данный момент точно не установлена и оценивается в пределах от 2,01 до 2,16 массы Солнца.

Если масса звезды превышает солнечную более чем в 30 раз, то после вспышки сверхновой и гравитационного коллапса звезды уже ничто не может сопротивляться силе ее тяготения. Ничто не может остановить схлопывание такой звезды вовнутрь себя. Она будет сжиматься в черную дыру.

 

Надо сказать, что понятие размера или диаметра для черной дыры достаточно условно, ведь она стремится схлопнуться в ноль. Поэтому применительно к черным дырам используют два синонимичных понятия - сфера Шварцшильда и горизонт событий.

Сфера Шварцшильда - это воображаемая сфера, окружающая коллапсирующую звезду, при попадании внутрь которой ничто, даже квант света, не может вырваться обратно, удерживаемый тяготением.

Применительно к черной дыре сферу Шварцшильда по-другому называют еще горизонтом событий. Потому что никакое событие внутри черной дыры (то есть за сферой Шварцшильда) принципиально не может оказать влияния на наш мир, так как всякое влияние, включая информационное, передается при помощи материи (вещества или излучения). И если даже свет не может вырваться к нам из-за сферы Шварцшильда, чтобы донести какую-нибудь информацию, значит, мы ничего не можем узнать о том, что происходит за горизонтом событий, и все происходящее там никак не может повлиять на события в нашем мире.

Горизонт событий понятие более широкое, чем сфера Шварцшильда. Оно обозначает область пространства-времени, откуда до нас не могут дойти никакие сигналы. Для черных дыр горизонтом событий является сфера Шварцшильда.

Радиус, в который нужно уплотнить объект, чтобы он стал черной дырой, называется гравитационным радиусом. Для Солнца он составляет 6 километров (нынешний радиус Солнца составляет 700 тысяч километров). Для Земли гравитационный радиус составляет порядка 1 сантиметра (радиус Земли около 6400 километров).