Небеса необетованные часть 2

 

***               

Где-то в 30-е годы нашего столетия несколько ученых физиков – одним из которых был выдающийся советский физик-теоретик Лев Давидович Ландау, внесли важный вклад в понимание эволюции массивных звезд. Но прежде всего следует отметить, что его биография и личная жизнь были удивительно необычны и во многом и по сей день отражают масштаб его выдающейся личности.
Родился Ландау 22 января 1908 года в Баку. В возрасте восьми лет поступил в бакинскую Еврейскую гимназию, в 14 лет - в Бакинский университет сразу на два факультета – физико-математический и химический. Но вскоре оставил химию и сосредоточился на физике. В 1924 году в возрасте 16 лет был переведен в Ленинградский университет, где уже через три года окончил физическое отделение физико-математического факультета ЛГУ, стал аспирантом, а затем сотрудником Ленинградского физико-технического института, директором которого был великий А.Ф.Иоффе.
Далее с 1929 по 1931 год Ландау находился в научной командировке за границей, это Германия, Дания, Англия и Швейцария. Встречался с ведущими физиками того времени – Альбертом Эйнштейном, Максом Борном, Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом и другими. Позже по рекомендации Бора получил стипендию Рокфеллеровского фонда и продолжил работу в Европе.
В 1934 году Академия наук СССР присудила ему ученую степень доктора физико-математических наук без защиты диссертации. в 1935 году получил звание профессора. Во время Великой отечественной войны занимался исследованием горения и взрывов, в частности ударных волн. в 1946 году был избран сразу академиком АН СССР. В 1962 году получил Нобелевскую премию по физике за исследования в области теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия. Умер 1 апреля 1968 года. Похоронен на Новодевичьем кладбище.

***
К слову, об эволюции звезд.
Из работ Ландау на эту тему, как правило, выделяют два ключевых момента.
Первый момент. 
Еще в 1931 году Ландау выдвинул идею о существовании очень плотных звезд, которые можно представить как одно гигантское атомное ядро. Данная концепция была высказана им до еще до того, как открытие нейтрона получило широкую огласку. То есть данную концепцию можно было считать первым предвидение нейтронных звезд.
Нейтрон – субатомная частица, у которой нет электрического заряда. Вместе с протонами нейтроны составляют ядра всех атомов, хотя сами по себе, вне ядра, нейтроны нестабильны и примерно через 15 минут распадаются, то есть превращаются в протон, электрон и антинейтрино. Поэтому в космосе, где нет «цемента», удерживающего их в ядре, они долго не живут, что и отличает их от протонов или ядер атомов.
Второй момент.
В 1937 году Ландау в дополнение к уже озвученной идеи, придумал физическую модель. Он показал, что в ходе эволюции массивной звезды, когда в ее ядре под воздействием колоссальных сил гравитации истощаются источники термоядерной энергии, процесс захвата электронов протонами становится энергетически выгодным.
И почему?
Потому что в результате этого процесса образуются нейтроны и формируется нейтронная звезда. Ландау даже предполагал, что такой захват электронов может быть тем самым процессом, который служит источником энергии звезд. Следует признать, что эта работа получила широкую известность. Многие физики восприняли ее как предсказание неизбежного образования нейтронных звезд в процессе эволюции массивных звезд.
Позже, развивая вышеозначенную тему, ученые стали изучать, что же на самом деле происходит, если масса звезды достигнет размеров, указанных Лапласом (часть 1). И пришли к следующему выводу, если гравитационное сжатие не останавливается вслед за образованием нейтронной звезды, то в конечном счете может сформироваться «черная дыра». То есть, никакие световые сигналы не могут покинуть этот гигантский объект.

***
Массивные звезды.
Массивные звезды – это звезды, масса которых превышает примерно 8 (восемь) масс Солнца. Они играют ключевую роль в эволюции галактик, так как на поздних стадиях своей жизни взрываются как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми элементами. Однако из-за короткого времени жизни такие звезды встречаются в Галактике гораздо реже, чем звезды малой массы.
О Солнце.
В контексте школьной программы Солнце – это единственная звезда Солнечной системы и одна из звезд галактики Млечный путь. Вокруг него вращаются планеты, их спутники, астероиды, кометы и космическая пыль.
Основные характеристики:
1.Солнце относится к типу G (желтый карлик) и к подклассу G2V – это спектральный класс нашей звезды – Солнца.  Что касается G2 то оно указывает на температуру и цвет. Звезды класса G – это желтые звезды, похожие на Солнце, но чуть горячее или чуть холоднее. Цифра 2 уточняет температуру. В этой размерности она составляет примерно 6000 кельвинов. V – обозначает класс светимости, то есть указывает на то, что Солнце – это звезда главной последовательности или все тот же «желтый карлик».  В этой же категории есть и другие обозначения, так, например обозначение III – это гиганты, а обозначение IV – белые карлики.
2. Масса Солнца составляет около 99, 86% от общей массы всей Солнечной системы.
3. Состав Солнца – это примерно 73% водорода и 25% гелия. Остальные 2% — это более тяжелые элементы (кислород, углерод, железо и другие)
4. Температура поверхности составляет примерно 5505 градусов цельсия или 5778 кельвинов.
5.Возраст Солнца, по мнению ученых, насчитывает около 4,5 миллиардов лет.
6. Расстояние до Земли. В среднем составляет около 150 миллионов километров.

***
Как образуются массивные звезды?
Следует признать, что процесс их рождения в межзвездной среде до конца не ясен. Однако считается, что все начинается с холодных плотных молекулярных облаков, состоящих в основном из водорода и гелия.
Но что такое межзвездная среда – это вещество и поля, заполняющие межзвездное пространство внутри галактик. Основной компонент этой среды – межзвездный газ. Он состоит из водорода (около 70%) и гелия (около 28%), остальная часть — это более тяжелые элементы. 
Предполагается что под действием гравитации такие вышеозначенные облака начинают сжиматься и по мере сжатия плотности температура внутри их растет. И когда температура в ядре сжатия достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Сжатие останавливается и объект переходит в стадию протозвезды. Такое явление называется Джинсовкой неустойчивостью, но чаще всего – гравитационной неустойчивостью.
То есть это такой процесс, когда вещество в какой-то области начинает сгущаться за счет собственного притяжения, в то время как в других местах плотность, наоборот, падает.
А дальше, после начала термоядерной реакции звезда проходит через ряд стадий эволюции, на которых в ее недрах синтезируются все более тяжелые элементы (углерод, кислород, неон и другие). И когда наконец в ядре сформируется железное ядро, и оно становится неустойчивым, возникает гравитационный коллапс.
Гравитационный коллапс – это катастрофически быстрое сжатие массивных объектов под действием собственных гравитационных сил. По сути дела, это фундаментальное астрофизическое явление, которое играет ключевую роль в формировании звезд, звездных скоплений, галактик и вместе с тем гибели некоторых из них. Гравитационный коллапс возможен только в достаточно массивных телах, в частности у звезд, что быть может связано с расходом энергии на расщепление ядер, рождение частиц (в частности нейтрино) и с потерями энергии вместе с уходящими из объекта нейтрино.
При этом надо иметь в виду, что в течение эволюции звезды условия для гравитационного коллапса возникают только дважды: в самом начале при ее образовании из межзвездной пыли и в конце после исчерпания термоядерного горючего, когда в центре звезды создаются высокие значения плотности. Тогда в зависимости от массы остатка на свет появляется нейтронная звезда или «черная дыра».
И хотя общая идея гравитационного коллапса понятна, детальный механизм рождения самых массивных объектов во Вселенной все еще активно исследуется астрофизиками.

***
Считается, что причина свечения звезд – это термоядерные реакции. И когда ядерная эволюция или жизнь звезды заканчивается, огромное светило превращается в холодное тело, сравнимое по размерам с нашей Землей. Такие небесные тела называются «карликами». Подобная судьба ждет и наше Солнце! Примерно через пять миллиардов лет оно спокойно угаснет, оставив после себя лишь слабо тлеющие «звездные угли».
Однако звезда может закончить свой путь и по-другому. Для этого она должна быть массивнее Солнца. Тогда силы тяготения будут настолько велики, что сожмут звезду еще сильнее и тогда начнутся реакции с образованием нейтрино.
Нейтрино – это очень маленькая и очень скрытная частица, которую часто называют «частицей – призраком». И все из-за ее уникальных свойств! Каких?
1. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом.
2. У нейтрино нет электрического заряда, поэтому на нее не действуют ни электрические, ни магнитные поля.
3. Нейтрино может пролететь сквозь целую планету или даже сквозь человеческое тело, не оставив никакого следа.
4. Чтобы нейтрино могло столкнуться с атомом, ему пришлось бы преодолеть слой плотного вещества толщиной примерно в световой год.
И тем не менее известно, что каждую секунду через каждый квадратный сантиметр земной поверхности пролетают миллиарды нейтрино, рожденных на Солнце. Причем долгое время физики считали, что масса нейтрино равна нулю. И тогда возникает вопрос – откуда нейтрино берутся? И оказалось, что они рождаются в самых разных процессах: в ядерных реакциях внутри звезд, при взрывах сверхновых звезд, в недрах планет, в ядерных реакторах, и даже в бананах из-за радиоактивного изотопа калия.
Ничто не может удержать эти удивительные частицы. Но проходя в ядерных реакциях через толщу звезд, они уносят с собой значительную долю энергии, которая, как о том уже говорилось, выделяется при сжатии.

***

Однако вернемся к гравитационному коллапсу, к тому моменту, когда процесс разрушения ядра начинается и частицы, входящие в его состав, превращаются в нейтрино. Так образуется нейтронная звезда – гигантская капля из нейтронов, радиусом около десятка километров, которая зависает в космическом пространстве и которая во много раз превосходит Солнце.
И что же будет дальше?
А дальше под действием сжимающих сил гравитационный пресс сдавит в конце концов даже нейтроны и создаст вещество сверх ядерной плотности.  При этом чайная ложка такого вещества должна будет весить миллиарды тонн. Упав на землю, эта гигантская капля всей своей тяжестью способна будет пробить нашу планету насквозь.
Естественно, что такая звезда уже не подчиняется обычным школьным законам физики и по сему для описания происходящих на ней процессов приходится применять релятивистскую физику Эйнштейна и его последователей.
Один из таких выводов, имеется в виду физика, уже не нов. И если какая-либо звезда полностью исчезает с небосклона, то есть как бы проваливается в темноту, значит это и есть та самая таинственная «черная дыра». Впервые, для обозначения таких объектов, это понятие применил американский физик Джон Арчибальд Уилер (1911-2008 гг.)
Арчибальд Уиллер – американский физик-теоретик, педагог и популяризатор науки. Член национальной академии наук США с 1952 года и Американского философского общества. Помимо этого, иностранный член Лондонского королевского общества. Окончил Университет Джонса Хопкинса в 1933 году.
В годы Второй мировой войны участвовал в Манхэттенском проекте – программе создания атомной бомбы. Позже помогал в разработке водородной бомбы, а в 1951-1953 годах руководил проектом «Маттерхорн», который изучал возможности создания одного из типов реакторов для управления термоядерным синтезом.
Научные работы Уиллера относятся к ядерной физике, проблеме термоядерного синтеза, к специальной СТО и общей ОТО Альберта Эйнштейна, а также к единой теории поля, теории гравитации и астрофизике.
Впервые употребил термин «черная дыра» на научной конференции в 1967 году с целью обозначения области в пространстве и времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

***
Однако помимо названия «черная дыра» у нейтронных звезд есть и другое название более прозаичное – «коллапсар».  Само слово «коллапсар» английского происхождения и читается как «сколлапсировавшая звезда». Изначально так называли объект, который образуется в результате гравитационного коллапса массивной звезды, то есть той, во что она превращается после того, как силы внутреннего давления уже не могут противостоять гравитации. По сути, «коллапсар» описывает и сам процесс, и результат этого процесса. При этом с точки зрения теории в этой истории есть важный нюанс, так как для наблюдателя, который остался снаружи (удаленный наблюдатель), горизонт событий или граница, пересекая которую ничто не может вернуться назад, в ходе коллапса не формируется за конечное время, то есть процесс кажется бесконечным. Поэтому, строго говоря, коллапсар лишь приближается по свойствам к «черной дыре», а не является ею в классическом понимании.
В качестве примера, проще сказать, если звезда была не очень велика – всего в несколько наших Солнц, то это будет типичный «коллапсар», радиусом от десяти до ста пятидесяти километров. Однако во Вселенной могут быть и свехгигантские «черные дыры», которые образовались в те времена, когда рождались галактики. Сегодня в ядрах таких галактик давным-давно происходят мощные взрывы. Если такая «дыра» есть и в центре нашей Галактики, то ее масса будет в сто миллионов раз больше Солнца.
Впрочем, могут быть и «мини дыры» с массой всего в несколько сот океанских лайнеров. Такой коллапсар занимает столько же места, сколько одна элементарная частица, например протон. Образоваться эти «малыши» могли около двадцати миллиардов лет назад, когда плотность рождавшейся Вселенной была еще велика. Тогда в некоторых областях гравитационные силы были достаточно сильными, чтобы сжать вещество в «черные дыры».
Вот с такой «дырочкой», как полагают некоторые ученые и столкнулась наша планета 30 июня 1908 года.
Согласно законам квантовой механики, такие крошки должны со временем «испариться». Причем чем меньше коллапсар, тем это «таяние» быстрей происходит. А так как «мини дыры» образовались на первых секундах рождения метагалактики, то те из них, которые все еще бродят по Вселенной – это уже «ископаемые», которые вряд ли могли дожить до наших дней. Завершают свою жизнь подобные «мини дыры», как правило, эффектно – взрывом. Однако по космическим масштабам эти события представляют собой что-то вроде одновременного взрыва одного миллиона мегатонных водородных бомб! При этом всегда надо помнить о сжатии и о плотности, которые постоянно изменчивы и о массе, которая постоянна.
А следовательно, нам землянам в 1908 году крупно повезло, потому что «мини дыра» проскочила через Землю так «тихо», что большой катастрофы вселенского масштаба не произошло. И все-таки, до тех пор, пока не будет дан ответ на вопрос, где находятся «черные дыры», любые теории, как бы они ни были эффектны, будут оставаться всего лишь астрофизическими абстракциями.