событиям звездной эволюции. В центре массивной звезды температура очень высока, вещество там находится не в вырожденном состоянии, а в состоянии обычного газа, который может сжиматься. Когда содержание гелия в ядре истощается, ядро начинает сжиматься, температура в центре его повышается, и там начинается новый цикл ядерных реакций с участием углерода, т. е. ядерным горючим становится углерод. В результате слияния ядер 12С и 4Не образуется ядро кислорода 16О. По мере истощения углерода «загорается» кислород: ядро 16О, присоединяя 4Не, образует ядро неона 20Ne и т. д. То есть следует цикл ядерных реакций, в которых последовательно синтезируются тяжелые элементы вплоть до железа. В каждом последующем типе реакций выделяется все меньше и меньше энергии. Но чтобы противостоять сжатию, звезда должна выделять энергию в прежнем темпе. Это достигается за счет того, что каждый последующий элемент «сгорает» все быстрее и быстрее. Горение углерода длится тысячи лет. Затем смена горючего происходит через годы, сутки и даже часы. Загорание каждого очередного элемента происходит тогда, когда масса его достигнет некоторого критического значения, которое близко к переделу Чандрасекара для ядра из этого элемента В результате звезда приобретает структуру «луковицы»: в центре находится железное ядро, окруженное многочисленными слоями из продуктов ядерного горения в предыдущих циклах.
Когда образуется железное ядро, дальнейшая цепь ядерных реакций прерывается. Почему? Дело в том, что в раду химических элементов железо занимает особое место. При синтезе ядер сравнительно легких элементов, включая железо, не надо затрачивать энергию. Напротив, синтез этих ядер сопровождается выделением энергии, которая и является источником светимости звезд. В отличие от этого, для синтеза ядер элементов тяжелее железа необходимо затратить определенную энергию (которая освобождается при распаде этих ядер). Поэтому такой процесс не может поддерживать излучение звезды.
Итак, когда образуется железное ядро, ядерные реакции в звезде прекращаются. Звезда охлаждается и начинает сжиматься. Сжатие железного ядра происходит катастрофически быстро: менее чем за секунду оно уменьшает свои размеры в тысячи раз (говорят, что ядро коллапсирует). Казалось бы вещество звезды должно прийти в вырожденное состояние, и давление вырожденного электронного газа должно остановить сжатие. Но этого не происходит. Дело в том, что в центре такой коллапсирующей звезды развивается фантастически высокая температура, она достигает миллиардов градусов. При такой температуре электроны вступают в реакцию с протонами и образуют нейтроны (происходит процесс нейтронизации вещества). В результате количество электронов быстро уменьшается. Но откуда в центре звезды появились протоны? Ведь водород там давно выгорел на предшествовавших стадиях эволюции. А происходит вот что: при повышении температуры ядра атомов железа соударяются друг с другом и разрушаются, распадаясь, в конечном итоге, на протоны и нейтроны. Образующиеся при этом протоны и соединяются с электронами. Энергия, необходимая для распада атомных ядер железа черпается из кинетической энергии коллапсирующей звезды. Быстрое уменьшение плотности электронов в результате их слияния с протонами снимает вырождение (исчезает вырожденный электронный газ, давление которого могло бы предотвратить сжатие). Образующиеся нейтроны заполняют звездное ядро, и коллапс продолжается до тех пор, пока в центре звезды не образуется чудовищно плотный компактный объект размером порядка 10 км, состоящий почти исключительно из нейтронов.
Столкновения атомных ядер при коллапсе приводит, как мы видели, в основном, к их распаду с образованием протонов и нейтронов. Однако в этих же столкновениях, очень редко, но все же происходит образование ядер более тяжелых, чем железо, таких, как медь, молибден, олово, йод, серебро, золото, платина, ртуть, свинец, уран, и т.д. Описанный процесс длится примерно 1 секунду, но именно в эту последнюю секунду жизни звезды рождается, по существу, вся химия Вселенной, все химические элементы таблицы Менделеева. Энергия, необходимая для образования ядер этих элементов, черпается из кинетической энергии коллапсирующей звезды. Заканчивая свой жизненный путь, звезда использует последний шанс, последний источник энергии для образования тяжелых элементов. Надо сказать, что этот процесс имеет для нас немаловажное значение. Хотя живые организмы состоят преимущественно из элементов более легких, чем железо, — в основном, это водород, углерод, азот, кислород, фосфор — небольшая доля элементов тяжелее железа также входит в состав живых организмов, и они играют важную роль в процессах жизнедеятельности (не говоря уже об использовании их в технологических целях для нужд развивающейся цивилизации).
Когда в центре звезды образуется нейтронной ядро, наружные слои обрушиваются на него с колоссальной скоростью. Возникает взрыв, отбрасывающий вещество назад. Мощная ударная волна, движущаяся от центра звезды, вызывает сброс оболочки. При этом выделяется колоссальная энергия порядка 1045 Дж, а образовавшиеся в звезде тяжелые элементы разбрасываются в окружающее космическое пространство. Эго и есть взрыв звезды, приводящий к вспышке сверхновой. Обнажившееся нейтронное ядро образует уж знакомую нам нейтронную звезду, которая наблюдается в виде пульсара.
Нейтронная звезда образуется лишь в том случае, если масса железного ядра меньше 2 M⊙ . Если масса ядра превышает 2 M⊙ , коллапс идет неограниченно с образованием черной дыры. Так называются совершенно необычные объекты, сжавшиеся до такой степени, что их поле тяготения удерживает не только вещество, но и излучение, не позволяя ему вырваться за пределы объема, ограниченного так называемым гравитационным радиусом Rg = 2GM/c2 (G — постоянная тяготения, М — масса тела, с — скорость света). Для тела с массой Солнца Rg = 3 км. Всякое гравитирующее вещество характеризуется определенной скоростью освобождения, ее называют также параболической или второй космической скоростью. Если скорость частицы, находящейся в поле тяготения рассматриваемого тела, больше параболической, частица вырывается из поля тяготения и уходит в космическое пространство. Для Земли параболическая скорость равна 11,2 км/с, для Солнца она составляет 600 км/с, а для черной дыры параболическая скорость больше скорости света. Поэтому ни одна частица (даже квант света), находящаяся внутри черной дыры (под гравитационным радиусом), не может вырваться наружу. Черная дыра не светит и не греет, но своим мощным гравитационным полем затягивает внутрь себя вещество из окружающего пространства. Академик Я. Б. Зельдович образно назвал черную дыру гравитационной могилой. Но это грубая картина. Как показал крупнейший современный физик-теоретик С. Хокинг, учет квантовых эффектов приводит к тому, что черная дыра все же будет светиться, но очень слабо (излучение Хокинга). Обнаружить по этому излучению обычные черные дыры невозможно. Но их можно заметить по свечению падающего на черную дыру газа. К середине 2001 г. было обнаружено около 20 черных дыр звездной массы и 60 сверхмассивных черных дыр (с массой более миллиона солнечных масс) в ядрах галактик. Образование последних не связано со звездной эволюцией.
