Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры - Миллер Артур - Страница 41

ЧАСТЬ II

Глава 9

Как звезды светят и как они умирают

Нейтрон был открыт в 1932 году, когда Чандра был еще энергичным молодым аспирантом. Электрически нейтральную частицу с массой близкой к массе протона обнаружил Джеймс Чедвик, молодой коллега Резерфорда, работавший с ним в Кавендишской лаборатории в Кембридже. Это открытие взволновало весь научный мир. Физики сразу же ухватились за нейтрон как за панацею для определения структуры атомного ядра и начали разрабатывать теории о силах связывания ядерных частиц и о распаде ядер. Но ни Чандра, который в то время был в Кавендишской лаборатории, ни большинство других опытных астрофизиков не поняли, сколь велико значение открытия нейтрона для астрофизики. Кавендиш был бесспорным центром ядерной физики, но физиков и астрофизиков разделяла огромная пропасть. Открытие нейтрона помогло ученым понять, что финал эволюции звезд — гораздо более впечатляющее событие, чем это можно было себе ранее представить. Например, у Милна сразу же возник интерес к образованию нейтронов и связи этого процесса со строением космических тел. Он предположил, что электроны и протоны могут сливаться в нейтроны при высоких температуре и плотности внутри звезд, а выделяющаяся в этом процессе энергия будет играть важную роль в процессе их остывания. Однако на этом он и остановился. Физики развили идею Милна в своих теориях о строении звезд. Это стало началом долгого пути, который впоследствии привел к повторному открытию предела Чандры и полному подтверждению его правоты.

Открытие нейтрона ознаменовало рождение одной из самых интересных областей физики — ядерной физики. Ранее ученые считали, что ядро состоит из протонов и электронов, а положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов, вращающихся вокруг него. В результате атом становится электрически нейтральной частицей. Однако массы протонов и электронов не совпадали с атомной массой элемента. Теперь с нейтронами, входящими в ядро наряду с протонами, все было в порядке.

Но у новой модели ядра, состоящего из нейтронов и протонов, тоже были недостатки. Например, непонятно, что связывает нейтральные нейтроны и заряженные протоны, ведь притягиваются только противоположные заряды. Однако и без полной ясности природы ядерных сил уже можно было начинать строить теории о роли новооткрытых нейтронов в эволюции звезд. Само существование нейтрона разожгло воображение «белой вороны» физики — швейцарца Фрица Цвикки.

На одной из фотографий, снятой на память о визите Альберта Эйнштейна в Калифорнийский технологический институт (Калтех) в январе 1931 года, около президента Калтеха Роберта А. Милликена можно увидеть улыбающегося человека. Это — Цвикки. Он был одним из наименее приятных в общении ученых Калтеха и, скорее всего, сам занял место в первом ряду. Цвикки родился в 1898 году, диссертацию защитил в Федеральном технологическом институте в Цюрихе. Всю жизнь он оставался горячим патриотом своей страны и регулярно возвращался — дабы участвовать в выборах — в свой родной кантон Гларус. Цвикки попал в Калифорнийский технологический институт благодаря Милликену.

57-летний Милликен, лауреат Нобелевской премии по физике, был блестящим экспериментатором. В 1910–1921 годах он создал отделение физики в Чикагском университете. В 1921 году Джордж Эллери Хейл, которому лучше всех удавалось доставать деньги для развития астрономии, пригласил его на работу в небольшой институт в пригороде Лос-Анджелеса Пасадине. Этот институт был переименован в Калифорнийский технологический институт, и именно Милликен превратил его в крупнейший научный центр.

В 1925 году Милликен пригласил в Калтех Фрица Цвикки. Цвикки считал себя гением. Он действительно был очень талантлив, но имел репутацию человека с тяжелым характером и постоянно выдвигал различные фантастические прожекты. Однако Милликен был всегда готов предоставить ему шанс и поддерживал его. А Цвикки вел себя некрасиво, злобно критиковал коллег-физиков и считал большинство из них «круглыми дураками». Поэтому Милликен предложил Цвикки переключиться на астрономию. Цвикки так и сделал, но вскоре стал враждовать и с астрономами. Однако его достижения не подвергались сомнению, особенно интересны были его наблюдения удивительно ярких звезд, которые назвали новыми. Чандра прослушал его лекцию по новым звездам в Кембридже осенью 1930 года.

В 1931 году Цвикки начал работать вместе с Вальтером Бааде, известным астрономом, приехавшим из Гамбургской обсерватории. Бааде был на пять лет старше Цвикки. Ученые с уважением относились друг к другу, их часто видели вместе, беседующими на немецком языке. Невысокий, с острыми чертами лица и крючковатым носом, Бааде сравнивал свой собственный голос с собачьим лаем. Он был разговорчив и весьма энергичен, с большим чувством юмора, — в общем, совершенно не похож на Цвикки. Неудивительно, что вскоре их дружба дала трещину — Цвикки обвинил Бааде в том, что тот приписал себе все заслуги их совместной работы. Бааде охладел к Цвикки в 1936 году после неловкого инцидента с Сесилией Пэйн, замечательным физиком и астрономом. Она послала им пока еще неопубликованную статью, где подвергала сомнению некоторые их результаты. Цвикки ответил грубым письмом, в котором резко отозвался о статье и назвал Пэйн дурой, причем подписал письмо за себя и за Бааде. Их окончательное отчуждение произошло во время Второй мировой войны, когда вспыльчивый характер Цвикки проявился особенно ярко. Совершенно внезапно Цвикки обвинил Бааде в приверженности национал-социализму и пригрозил его убить. «С ним было опасно жить в одной комнате», — вспоминал потом Бааде. Но в 1930-е годы все еще было хорошо, и Бааде и Цвикки составляли отличную команду. Цвикки, обладая хорошим воображением, понял, что открытие нейтронов дает новый импульс для изучения эволюции звезд. Он обсудил этот вопрос с Бааде, и они решили представить свою идею на собрании Американского физического общества, которое должно было состояться в Стэнфордском университете в декабре 1933 года. В журнале «Physical Review» они опубликовали статью с описанием новой теории эволюции и затухании звезд. Была сделана попытка понять, почему новые звезды внезапно вспыхивали и их светимость возрастала в сто тысяч раз, а затем эти звезды постепенно затухали, возвращаясь к прежнему уровню светимости в течение нескольких месяцев. В своей работе 1931 года Бааде и Цвикки назвали эти звезды «сверхновыми»[48]. Сверхновая звезда может быть в десять тысяч раз ярче, чем новая, — то есть такой же яркой, как все 200 миллиардов звезд нашей Галактики, вместе взятые. Одна из таких звезд наблюдалась еще в 1054 году даже днем, и это продолжалось несколько недель. Звезду видели астрономы в Китае, Японии и индейцы племени анасази на юго-западе нынешних США. Благодаря наблюдениям Бааде в Маунт-Вилсоновской обсерватории в 1921 году причина этого явления стала ясна. Оказалось, Крабовидная туманность, огромное облако светящегося газа в созвездии Тельца, постоянно расширяется. Астрономы вычислили скорость расширения и поняли, что этот процесс начался девять веков назад — то есть Крабовидная туманность возникла в результате взрыва массивной звезды, которую как раз и видели древние астрономы. Ученые назвали ее сверхновая 1054 (SN 1054).

В новой звезде масса, исчезающая при взрыве, составляет около одной тысячной доли процента, а сверхновая в результате мощнейшего взрыва может потерять до 90 % своей массы. Крабовидная туманность находится на расстоянии 64 тысяч триллионов километров от Земли, имеет диаметр 96 триллионов километров и светимость в 7500 раз больше, чем у Солнца, поэтому ее хорошо видно даже в небольшой телескоп. Эта туманность по-прежнему расширяется со скоростью 1300 км/с. Измерив расстояние между Землей и Крабовидной туманностью, можно вычислить, что звезда взорвалась примерно в 5500 году до н. э., то есть на 6500 лет раньше, чем ее увидели китайские астрономы. Свет от взорвавшейся звезды преодолел 64 тысячи триллионов километров до Земли со скоростью 300 тысяч км/с как раз за эти 6500 лет[49].