Эволюцию звезды можно представить в виде автомата для игры в пинбол, как на рис. 10.1, имеющего форму кривой энергии связи. Шар начинает движение сверху, перескакивая от водорода к гелию, от более легких элементов к более тяжелым. При каждом его скачке по кривой появляется звезда другого типа. И наконец, шар достигает нижней части кривой, где находится железо, и в результате взрыва рождается сверхновая звезда. Затем звездное вещество опять собирается в новую звезду, богатую водородом, и процесс «игры в пинбол» возобновляется.
Отметим, однако, что существуют два способа движения шара вниз по кривой. Это движение может начаться с другой стороны кривой, с урана, и достигнуть дна единственным скачком, с расщеплением ядра урана. Поскольку средняя масса протонов таких продуктов деления, как цезий и криптон, меньше средней массы протонов урана, избыток массы преобразуется в энергию согласно формуле E = mc2. Это и есть источник энергии атомной бомбы.
Таким образом, кривая энергии связи не только объясняет рождение и смерть звезд и возникновение элементов, но и делает возможным существование водородной и атомной бомб! (Ученых часто спрашивают, можно ли создать ядерные бомбы помимо атомных и водородных. Как видно из кривой энергии связи, ответ на этот вопрос отрицательный. Отметим, что кривая исключает возможность создания кислородной или железной бомбы. Эти элементы расположены вблизи нижней части кривой, поэтому избытка массы не хватит для бомбы.
А упоминающиеся в прессе бомбы вроде нейтронной — это разновидности урановой и водородной бомб.)
Когда впервые слышишь историю жизни звезд, невольно относишься к ней скептически. Ведь никто же не мог прожить 10 млрд лет и стать свидетелем эволюции звезд. Но, поскольку звезд в небе бесчисленное множество, несложно увидеть звезды почти на всех этапах их эволюции. (К примеру, в 1987 г. сверхновая звезда, которую можно было наблюдать невооруженным глазом в южном полушарии, обеспечила нас множеством астрономических данных, соответствующих теоретическим предположениям о схлопывающемся карлике с железным ядром. Кроме того, остаток великолепной сверхновой звезды, которую наблюдали древнекитайские астрономы 4 июля 1054 г., в настоящее время идентицифирован как нейтронная звезда.)
Вдобавок наши компьютерные программы стали настолько точными, что мы в принципе можем численно прогнозировать порядок звездной эволюции. Когда-то у меня был сосед-аспирант, специализировавшийся на астрономии. Он неизменно уходил рано утром и возвращался поздно вечером. Перед уходом говорил, что ставит звезду в духовку, чтобы увидеть, как она растет. Поначалу я думал, что он шутит. Но, когда я стал расспрашивать его, он со всей серьезностью объяснил, что закладывает звезду в компьютер и весь день наблюдает за тем, как она эволюционирует. Поскольку уравнения термодинамики и термоядерных реакций хорошо известны, остается лишь задать определенную массу водорода и дождаться, когда компьютер представит эволюцию этого газа в численном виде. Таким способом можно убедиться, что наша теория звездной эволюции воспроизводит известные стадии жизни звезды, которые мы видим в телескопы.
Черные дыры
Если звезда в 10–50 раз превосходит размерами наше Солнце, тогда гравитация будет продолжать сжимать ее даже после превращения в нейтронную звезду. В отсутствие силы термоядерных реакций, противостоящей силе притяжения, ничто не может помешать окончательному схлопыванию звезды. В этот момент она становится пресловутой черной дырой.
Существование черных дыр в некотором смысле неизбежно. Как мы помним, звезда — это продукт взаимодействия двух космических сил: гравитации, которая стремится сжать звезду, и силы ядерных реакций, которая стремится взорвать звезду, как водородную бомбу. Все этапы истории существования звезды — следствие этого шаткого равновесия между гравитацией и ядерным взаимодействием. Рано или поздно, когда все ядерное топливо гигантской звезды наконец израсходуется и звезда превратится в скопление одних нейтронов, ничто, насколько нам известно, не сможет помешать воздействию мощной силы гравитации. В конце концов гравитация возобладает и уничтожит нейтронную звезду. Звезда завершила свой путь: она родилась, когда гравитация только начала сжимать газообразный водород в небе, создавая звезду, и умерла, когда ядерное топливо кончилось и гравитация вызвала схлопывание звезды.
Плотность черной дыры настолько велика, что свет, подобно ракете, запущенной с Земли, вынужден двигаться по ее орбите. Поскольку свет не в состоянии избежать воздействия гравитационного поля огромной мощности, схлопнувшаяся звезда по цвету становится черной. Так и принято давать определение черным дырам: это сколлапсировавшая звезда, от которой не может исходить свет.
Надо заметить, что у всех небесных тел есть так называемая скорость убегания. Это скорость, необходимая для полного преодоления гравитационного притяжения конкретного тела. К примеру, космический зонд должен развить скорость убегания 25 000 миль в час (40 000 км/ч), чтобы преодолеть гравитационное притяжение Земли и улететь в дальний космос. Такие космические зонды, как «Вояджер», который вышел в открытый космос и покинул Солнечную систему (увозя послание доброй воли к инопланетянам, которым он может повстречаться), развил скорость убегания нашего Солнца. (Мы дышим кислородом, так как атомам кислорода недостает скорости, чтобы преодолеть поле притяжения Земли. Оболочка Юпитера и других газовых гигантов состоит преимущественно из водорода, поскольку их скорость убегания достаточно велика, чтобы удержать изначальный водород ранней Солнечной системы. Таким образом, скорость убегания помогает объяснить эволюцию планет Солнечной системы за последние 5 млрд лет.)
В сущности, ньютонова теория гравитации дает точное соотношение между скоростью убегания и массой звезды. Чем тяжелее планета или звезда и чем меньше ее радиус, тем большая скорость убегания понадобится, чтобы преодолеть силу ее гравитационного притяжения. Еще в 1783 г. английский астроном Джон Мичелл воспользовался этими вычислениями, чтобы предположить, что супермассивная звезда может иметь скорость убегания, равную скорости света. Свет, излучаемый такой массивной звездой, не отдаляется от нее, а движется вокруг по орбите. Таким образом, стороннему наблюдателю эта звезда может показаться совершенно черной. Пользуясь всеми знаниями, имевшимися в XVIII в., Мичелл действительно вычислил массу такой черной дыры[113]. Увы, его теорию сочли бредовой и вскоре забыли. Тем не менее сегодня мы склонны считать, что черные дыры существуют, так как благодаря телескопам и другим приборам увидели в небе белых карликов и нейтронные звезды.
Объяснить, почему черные дыры черные, можно двумя способами. С точки зрения прохожего, сила, действующая между звездой и лучом света, настолько велика, что его траектория изогнута и представляет собой окружность. Можно также принять точку зрения Эйнштейна, согласно которой «кратчайшее расстояние между двумя точками — кривая». Искривление луча света до полной окружности означает, что и само пространство свернуто в круг. Такое возможно лишь в том случае, если черная дыра полностью сжала участок пространства-времени вокруг нее, поэтому луч света перемещается в гиперсфере. Этот участок пространства-времени теперь отделен от окружающего пространства-времени, а само пространство «разорвано».
Мост Эйнштейна-Розена
Релятивистское описание черных дыр фигурирует в работе Карла Шварцшильда. В 1916 г., всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн записал свои знаменитые уравнения, Шварцшильд сумел найти для них точное решение и вычислить гравитационное поле массивной стационарной: звезды.
Решение Шварцшильда имело несколько интересных особенностей. Во-первых, вокруг черной дыры находится «точка невозврата». Любой объект, приблизившийся на расстояние, меньшее, чем этот радиус, неизбежно затянет в черную дыру, спастись ему не удастся. Человек, которому не посчастливится оказаться в пределах радиуса Шварцшильда, будет захвачен черной дырой и раздавлен насмерть. В настоящее время это расстояние от черной дыры называется радиусом Шварцшильда, или горизонтом событий (самой удаленной видимой точкой).
Во-вторых, каждый, кто окажется в пределах радиуса Шварцшильда, обнаружит «зеркальную вселенную» по «другую сторону» пространства-времени (рис. 10.2). Эйнштейна не беспокоило существование этой причудливой зеркальной Вселенной, потому что сообщение с ней было невозможным. Любой космический зонд, отправленный в центр черной дыры, столкнется с бесконечной искривленностью; иначе говоря, гравитационное поле окажется бесконечным, а любой материальный объект будет уничтожен. Электроны оторвутся от атомов, и даже протоны и нейтроны в ядре разнесет в разные стороны. Кроме того, чтобы проникнуть в другую вселенную, зонду понадобится лететь со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно. Таким образом, хотя зеркальная Вселенная математически необходима для понимания решения Шварцшильда, наблюдать ее физически не удастся никогда.
