Плотность звезды определяется равновесием между силой тяжести и силой давления вещества звезды. Для того чтобы звезда сжалась, давление должно уменьшиться. Очень сильное уменьшение давления могло бы произойти при образовании нейтронного вещества, когда протоны и электроны превращаются в нейтроны. Попробуем в этом разобраться.
Давление пропорционально кинетической энергии частиц, из которых состоит вещество. При понижении температуры падает кинетическая энергия частиц и поэтому падает давление. Однако даже при абсолютном нуле температуры кинетическая энергия частиц не равна нулю. Дело в том, что нейтроны, протоны и электроны подчиняются запрету Паули - две одинаковые частицы со спином 1/2 не могут находиться в одном и том же состоянии. По этой причине даже при абсолютном нуле температуры частицы не покоятся и обладают разными скоростями - как говорят, разбросаны по скоростям. При этом наибольшую кинетическую энергию имеют легкие частицы. Таким образом, главный вклад в давление в звезде вносят электроны, масса которых приблизительно в две тысячи раз меньше массы протона или нейтрона. Неудивительно, что сила тяжести сжимает нейтронное вещество до гораздо большей плотности, чем обычное вещество, состоящее из атомных ядер и электронов, - ведь при этом легкие частицы заменяются тяжелыми, и давление резко падает.
Если бы в результате ядерных превращений звезда могла превратиться в нейтронную, то это привело бы к резкому сжатию звезды и за короткое время освободилась бы громадная энергия. Достаточна ли она для объяснения вспышки сверхновой? Этот вопрос пока остается без ответа. При таком внезапном сжатии звезды должны возникать могучие упругие волны, идущие от центра. Под их действием наружная часть звезды могла бы сбрасываться, превращаясь в горячий газ, который разлетается с громадной скоростью. Свечение этого газа и объясняло бы длительность вспышек сверхновой.
Итак, всвышки сверхновых перестали казаться загадочным явлением - появились надежды объяснить их как следствие сжатия звезд в ходе ядерных превращений.
Но от догадки до прочно установленного утверждения нужно пройти долгий путь сомнений и доказательств.
В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Уже два года спустя астрономы Карл Бааде и Вальтер Цви-ки сделали предположение, что вспышки сверхновых возникают в процессе рождения нейтронной звезды. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть эту догадку, следовало изучить свойства нейтронного вещества и выяснить, может ли оно образоваться внутри звезды. А для этого понадобилось около тридцати лет экспериментального н теоретического исследования ядерной материи.
Что же стало известно в результате этого исследования?
Нейтронная жидкость
В 1937 году Л. Д. Ландау высказал мысль, что звезда достаточно большой массы должна состоять из нейтронного вещества. Для образования нейтронного вещества атомные ядра и электроны должны превратиться в нейтроны. Допустим, что звезда состоит из кислорода. В ядре каждого атома кислорода имеется восемь нейтронов и восемь протонов. Восемь протонов ядра и восемь электронов, окружающих атомное ядро кислорода, должны превратиться в восемь нейтронов. Эта реакция энергетически невыгодна - на образование каждого нейтрона надо израсходовать несколько миллионов электрон-вольт. Если масса звезды достаточно велика, процесс образования нейтронов с избытком обеспечивается энергией, выделяющейся при сжатии звезды. В 1937 году Ландау показал, что превращение кислорода в нейтронное вещество делается энергетически возможным уже при массе звезды, составляющей малую долю массы Солнца. Однако такое превращение не может произойти сразу, а только через целую цепь ядерных реакций; каждая из этих реакций требует сравнительно небольшой затраты энергии, которая берется из энергии теплового движения частиц звезды.
Для того чтобы убедительно доказать возможность образования нейтронной звезды, понадобились детальные сведения о ядерных реакциях и особенно о свойствах нейтронного вещества. Эти сведения были получены из анализа свойств атомных ядер и из опытов по рассеянию нейтронов и протонов на ядрах. Например, стало известно, что на малых расстояниях притяжение между нуклонами (нейтронами и протонами) сменяется отталкиванием, что затрудняет сжатие нейтронного вещества до плотности, в несколько раз превышающей ядерную плотность. Некоторые из энергетических уровней ядра связаны с его вращением вокруг собственной оси. Измеряя энергии спектральных линий, испускаемых при переходах между такими уровнями, можно определить моменты инерции ядер.
Моменты инерции оказались значительно меньше, чем они должны быть у шарика того же радиуса и той же плотности, что и ядро. Это значит, что во вращение вовлекается не все вещество ядра. Следовательно, отдельные части ядра могут двигаться без трения друг относительно друга - иначе обязательно завращалось бы все вещество. Теоретический анализ экспериментальных данных по моментам инерции ядер позволил автору этой книги в 1959 году сделать утверждение о том, что нейтронное вещество при ядерной плотности должно быть сверхтекучим, то есть двигаться без трения вплоть до температур Т~10^{10} К.
Итак, физики пришли к выводу, что под большим давлением из обычного вещества должна образоваться нейтронная сверхтекучая жидкость, которая будет сжиматься в звезде до ядерных плотностей. Однако все заключения о свойствах нейтронного вещества были абстрактной игрой ума, поскольку само существование нейтронных звезд оставалось только правдоподобным предположением. Так было вплоть до 1968 года.
Открытие пульсаров
В 1968 году группа астрономов из Кембриджа открыла звезду с пульсирующим излучением - пульсар. Уже через год десятки пульсаров были обнаружены многими обсерваториями земного шара. Это открытие стало
возможным благодаря развитию радиоастрономии, позволяющей обнаруживать объекты со светимостью в 1010 меньшей, чем у тех, которые доступны оптическим телескопам.
Пульcары - это звезды, испускающие импульсы радиоизлучения длительностью в 10 \div 30 мкс, следующие строго периодично с периодом порядка 10-2 \div 1 с. Строжайшая периодичность излучения вместе со сложной формой импульсов навели астрономов, открывших первый пульсар, на мысль о сигналах внеземной цивилизации. Однако после того как десятки пульсаров обнаружились в разных областях Вселенной, эта мысль отпала сама собой. В самом деле, возникновение жизни - событие крайне маловероятное, и Вселенная не может быть заселена так густо. Предположить же, что все инопланетяне дают о себе знать одинаковым способом, просто нелепо. Чем же объясняется поразительно точная периодичность импульсов радиоизлучения пульсаров?
Детальный анализ всех возможных типов периодических движений привел астрофизиков к однозначному заключению: период пульсара соответствует периоду обращения звезды вокруг своей оси.
Следовательно, пульсар - это звезда, вращающаяся с громадной скоростью: за земные сутки она совершает миллионы оборотов. Сейчас мы увидим, что из этого вытекает важнейшее следствие.
Пульсары - нейтронные звезды
Для того чтобы материя звезды не разлеталась при таком быстром вращении, сила тяжести на поверхности звезды должна превосходить центробежную силу. А это возможно только при очень большой плотности звезды. Простой расчет показывает, что пульсар с периодом обращения 0,1 с должен иметь плотность больше 1010 г/см3. Обычное вещество нельзя сжать до такой громадной плотности. Только нейтронное вещество, которое сжимается до ядерной плотности при массе звезды порядка массы Солнца, может вращаться с угловой скоростью пульсара, не разлетаясь при этом.
Таким образом, физики пришли к заключению, что пульсары и есть те самые нейтронные звезды, существование которых предсказал Ландау.