Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Почему все мёртвые звёзды не становятся чёрными дырами?

Предшествующие главы показали нам, что у звёзд своя жизнь: они рождаются, живут, умирают. Как именно умирает звезда, зависит от её массы: ею определяется гравитационное сжатие звезды, а значит, и темп ядерных реакций в её недрах. Это означает, что некоторые звёзды могут закончить свою жизнь взрывом, но очень многие заканчивают её скорее «не взрывом, но всхлипом».[53]

Посмотрим ещё раз на самые массивные звёзды. Как мы уже знаем, они могут завершать своё существование ослепительным и грандиозным взрывом сверхновой, который виден во всей Вселенной. Звезду разрывает на части натиск бесчисленных призрачных нейтрино. Посмотрим же снова на то, что в действительности происходит внутри такой звезды.

Когда массивная звезда стареет, ядерное горение в её сердцевине продолжается до тех пор, пока не начинает образовываться железо. Оно отличается от всех остальных элементов, образовывавшихся на предыдущих стадиях жизненного цикла звезды: при его термоядерном преобразовании в более тяжёлые элементы энергия не выделяется, а поглощается. Ядерное горение в недрах звезды внезапно останавливается, и направленное наружу давление излучения падает. Теперь нет препятствий неизбежному сжатию под действием гравитации, и звезда коллапсирует – обрушивается внутрь себя. Плотность и температура в её ядре стремительно взлетают вверх, железо при этих условиях мгновенно преобразуется в более тяжёлые элементы, при этом выделяется огромное количество нейтрино, и звезда взрывается, разлетаясь в окружающее пространство.

Взрывается, разлетается… но не вся. Плотность резко растёт в самом центре звёздного ядра, а с нею растёт гравитационное сжатие, ускоряя коллапс. В некоторый момент этот процесс проходит критическую точку, за которой гравитационное сжатие остановить невозможно ничем. Образуется чёрная дыра, обычно в несколько раз больше, чем Солнце. Это остаток массивной звезды, окружённый разлетающейся в разные стороны и постепенно тускнеющей оболочкой.

Для звёзд массой поменьше процесс развивается очень похожим образом, но, хотя в коллапсирующем звёздном ядре плотность и силы гравитации тоже взлетают, они не достигают критической точки, после которой образуется чёрная дыра. Коллапс может быть остановлен! Но это происходит только после того, как электроны вдавливаются в атомные ядра и в протоны, превращая их в нейтроны. Образуется сверхплотный шар, состоящий целиком из нейтронов. Такая нейтронная звезда – объект крайне странный, даже отдалённо не напоминающий что-либо, встречающееся на Земле.

Если звезда ещё поменьше, вроде нашего Солнца, её смерть ещё менее драматична. Сейчас Солнце прошло примерно половину своего жизненного пути, общая продолжительность которого оценивается в 11 миллиардов лет. Когда оно начнёт приближаться к концу этого срока, его внутренний состав будет постепенно меняться: в недрах начнут образовываться всё более и более тяжёлые элементы. Гравитационное сжатие в ядре Солнца недостаточно сильно для образования элементов вроде железа; изменения во внутренней структуре приведут к его раздуванию до огромных размеров – Солнце станет красным гигантом, поглотив Землю и даже Марс. Неустойчивые ядерные реакции в его недрах заставят его пульсировать всё сильнее и сильнее, и это кончится тем, что оно сбросит свои внешние оболочки. Тогда от него останется лишь обнажённое звёздное ядро.

Ядро мёртвой звезды – белый карлик – очень горячий и плотный остаток её сердцевины. Объект размером примерно с Землю и с массой порядка солнечной больше не сможет поддерживать какие-либо термоядерные реакции. Высокая температура обеспечит направленное наружу газовое давление, способное предотвратить гравитационный коллапс, по крайней мере, в течение некоторого времени. Очень горячий вначале, белый карлик в конце концов начнёт остывать, и через много миллиардов лет погаснет, став таким же холодным, как и вся окружающая Вселенная, – мёртвым остатком звезды, чёрным карликом. Время, необходимое белому карлику, чтобы остыть до фоновой температуры Вселенной, огромно – во много раз больше нынешнего возраста Вселенной. Поэтому сейчас, возможно, ни одного чёрного карлика ещё нет, но в будущей Вселенной их станет очень много.

Чтобы завершить этот рассказ, мы должны ещё рассмотреть случай звёзд самых малых масс. Это красные карлики – на сегодня самый многочисленный класс во Вселенной. Их конец будет совершенно лишён драматизма. При малых массах ядерные реакции внутри могут спокойно, медленно и устойчиво идти более 100 триллионов лет. Но когда рано или поздно ядерное горючее, водород, в их недрах иссякнет, этим крохотным звёздам не останется ничего, кроме как просто погаснуть и слиться с окружающей тьмой. Тёмные мёртвые красные карлики вначале будут ещё сохранять чуть-чуть тепла, которое обеспечит небольшое давление и предотвратит коллапс. Но в конце концов они тоже остынут, и вся их энергия рассеется в темноте Вселенной.

И всё же с этими мёртвыми звёздными остатками кое-что неясно. Почему после того, как направленное наружу давление вещества, вызванное ядерными реакциями, или остаточное тепловое давление прекращают действовать, они не уступают могучему гравитационному сжатию и не коллапсируют в чёрные дыры?

Вы, может быть, подумаете, что здесь дело обстоит так же, как с Землёй: она ведь тоже не коллапсирует, хоть в её ядре и не идут ядерные реакции. На Земле гравитационному сжатию противодействуют силы электромагнитного притяжения и отталкивания атомов – они достаточно велики, чтобы удержать планету от коллапса. Но масса мёртвых звёзд гораздо больше массы Земли, и силы гравитации превосходят давление, обеспечиваемое электромагнетизмом. Так откуда же берётся сила, не позволяющая произойти гравитационной катастрофе?