Книга Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Термоядерно-яркий звездный свет

Однако эта книга о разрушении, и было бы непростительно, если бы при описании вспышки сверхновой типа Ia я бы ограничилась невыразительной фразой «взрывающаяся звезда». Белый карлик, в которого однажды превратится и наше Солнце, сам по себе чудо звездной эволюции. А его взрыв представляет собой термоядерную детонацию всего вещества звезды, вспышка которой способна затмить сияние целой галактики.

Если вы – звезда любого типа, то, на какой бы стадии жизненного цикла вы ни находились, ваше существование зависит от деликатного баланса между давлением, создаваемым в вашем ядре, и гравитацией, порождаемой веществом, из которого вы состоите. (Это состояние называется «гидростатическим равновесием», а его суть сводится к идее о том, что гравитация, направленная внутрь, должна быть уравновешена направленным наружу давлением, чтобы звезда не взорвалась и не коллапсировала.) В большинстве случаев давление создается термоядерными реакциями в ядре звезды, в ходе которых легкие атомные ядра сливаются, превращаясь в атомы более тяжелых элементов. Слияние самых легких атомных ядер сопровождается выделением энергии в виде излучения, которое и отвечает за давление, предотвращающее коллапс звезды.

В случае такой звезды, как Солнце, направленное наружу давление обеспечивается слиянием ядер водорода в ядра гелия. Фактически большинство звезд представляют собой гигантские заводы по производству гелия, которые поглощают водород, самый распространенный элемент во Вселенной, и ежесекундно производят из него бесчисленные миллиарды ядер гелия. Давайте рассмотрим пример дорогого нашему сердцу Солнца.

Прямо сейчас Солнце сжигает водород, создавая избыток гелия в ядре, что со временем приведет к изменению температуры и давления. Поскольку эффективность завода зависит как от температуры, так и от давления, количество выделяемой Солнцем энергии и его размер будут меняться, – за следующие несколько миллионов лет оно станет ярче и чуть крупнее[56].

Примерно через миллиард лет мы начнем поджариваться. Однако даже после того, как Земля встанет на путь превращения в обугленный безжизненный кусок породы, история Солнца будет еще далека от завершения. Повышение температуры Солнца, из-за которого сгорят внутренние планеты (Меркурий и Венера) и испарятся океаны на Земле, будет сопровождаться сожжением такого огромного количества водорода, что в итоге у заполненного гелием ядра останется лишь тонкая водородная оболочка. Затем температура в ядре повысится настолько, что гелий начнет превращаться в кислород и углерод, а Солнце раздуется и станет огромным красным гигантом. За следующие несколько миллиардов лет Солнце сожжет остатки водорода, после чего начнется настоящая агония. Ядро станет заполняться кислородом, а затем углеродом, – реакции ядерного синтеза на этом этапе будут поддерживаться за счет гравитационного сжатия ядра. В конце концов, после того, как Солнце поглотит Венеру, а Земля превратится в дымящийся кусок породы, гравитация звезды будет уже недостаточной для поддержания температуры, необходимой для дальнейшего ядерного синтеза. Солнце сбросит внешнюю оболочку, и его ядро начнет сжиматься.

Можно было бы подумать, что это конец для звезды – истощенной, поглотившей ближайшие планеты, не способной поддерживать достаточно сильные термоядерные реакции, чтобы оставаться в стабильном состоянии. Но, к счастью, существует давление еще более сильное, чем то, которое обеспечивается реакциями синтеза, и оно может предотвратить окончательный коллапс Солнца и подобных ему звезд, миновавших стадию красного гиганта, позволив ему существовать в виде белого карлика. И этот вид давления имеет непосредственное отношение к квантовой механике.

Квантовая куча

Первое, что вам следует запомнить, – это то, что большинство субатомных частиц, в том числе электроны, протоны, нейтроны, нейтрино и кварки, являются фермионами, что в контексте физики элементарных частиц означает их крайнюю самодостаточность. Они подчиняются принципу запрета (или исключения) Паули, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Именно поэтому, как вы, наверное, помните из школьного курса химии, электроны в атомах занимают разные «орбитали», которые, по сути, представляют собой различные энергетические уровни.

По мере того как в ядре выгоревшей коллапсирующей звезды скапливается все больше плотно прижатых друг к другу атомов, их электроны становятся все более «дерганными». При таком давлении электроны уже не связаны с конкретными атомами, а спрессованы так сильно, что вынуждены перепрыгивать на более высокие энергетические уровни, чтобы не находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это обеспечивает так называемое давление вырожденного электронного газа, которое способно остановить коллапс звезды и породить совершенно новый тип объекта: белый карлик.

Белый карлик – это звезда, которая уже не горит, поскольку в ней не происходят реакции термоядерного синтеза. Это твердый объект, существующий исключительно за счет квантово-механического принципа, который сводится к тому, что электроны просто не особенно любят друг друга. И он может тихо тлеть многие миллиарды лет, медленно угасая и остывая, до тех пор, пока не распадется в результате тепловой смерти, не загорится в процессе Большого сжатия или не будет разорван фантомной темной энергией в момент Большого разрыва наряду со всем остальным.

Но это только в том случае, если его масса не увеличится.

Давление вырожденного электронного газа способно на многое. Оно может поддерживать существование целой звезды, но только до определенного момента. Если что-то выведет белого карлика из состояния равновесия, например, если он поглотит вещество звезды-компаньона или столкнется с другим белым карликом, его масса увеличится настолько, что давление вырожденного электронного газа уже не сможет предотвратить дальнейший коллапс. После этого может произойти целый ряд событий.

Температура центрального ядра звезды резко увеличится, и она начнет сжигать углерод. Вещество звезды будет бурлить и перемешиваться. В конце концов, процесс дефлаграционного горения вызовет термоядерный взрыв такой мощности, что звезда будет окончательно разорвана на части.

Взрыв белого карлика сопровождается очень яркой вспышкой, которая на короткое время может затмить блеск галактики, и ее можно увидеть в телескоп с расстояния в миллиарды световых лет. Сверхновые, которые вспыхивали в отдаленных областях Млечного Пути и близлежащих галактиках, в древние времена были видны невооруженным глазом даже в дневное время[57].