Трудно сказать, что случалось чаще в истории физики - сначала обнаруживался экспериментальный факт, дававший толчок развитию теории, или сначала возникала теория, требующая экспериментальной проверки. Эксперимент и теория постоянно стимулируют друг друга. Если следствия этой теории подтвердятся на опыте - будет сделан существенный шаг в понимании природы. Если же не подтвердятся, теория сохранит свою методическую ценность и послужит основой для более успешных теорий. Как всегда, последнее слово остается за экспериментом.
Незнание природы - величайшая неблагодарность.
Плиний Старшин
Я попытаюсь рассказать о сверхмощных взрывах звезд и о том, как возникают звезды, состоящие из нейтронов. Теория предсказывает, что в таких звездах может происходить еще не обнаруженный на опыте вид ядерных превращений - образование ядерного вещества с плотностью, намного большей, чем плотность атомных ядер (а плотность атомных ядер - порядка 1014 г/см3).
Для того чтобы разобраться в этих явлениях, нам придется обращаться ко многим областям физики. Здесь астрономия и теория тяготения переплетаются с физикой элементарных частиц и ядерной физикой.
Уже в древности астрономы заметили, что время от времени внезапно вспыхивают новые сверхъяркие звезды. Такая вспышка была, например, отмечена китайскими астрономами в 1054 году в Крабовидной туманности, входящей в состав нашей Галактики. Сейчас «вспышки сверхновых» хорошо изучены и обнаружены не только в нашей Галактике, но и в других звездных скоплениях. За несколько месяцев сверхновая испускает столько же света, сколько целая галактика, в которую входят десятки или сотни миллиардов солнц. По интенсивности и длительности излучения можно было установить, что полная энергия, выделяющаяся при вспышке сверхновой, составляет 1043-1045 джоулей. Между тем тепловая энергия звезды в тысячу раз меньше. Значительно меньше и энергия, которая могла бы выделиться при химических превращениях. Откуда же берется громадная энергия сверхновой? Этот вопрос долго оставался без ответа. Надежды объяснить вспышки сверхновых появились только после открытия ядерных реакций, освобождающих энергию в миллионы раз большую, чем химические превращения.
Ярче ста миллиардов солнц
Итак, источником энергии сверхновой могли бы быть ядерные реакции, протекающие внутри звезды. Существует, впрочем, еще более мощный источник - это гравитационная энергия звезды. Однако освободить эту энергию можно только с помощью ядерных превращений. Если в ходе ядерных реакций плотность центральной части звезды увеличится, то под действием сил тяготения вещество наружных областей начнет падать к центру, приобретая кинетическую энергию. Иными словами, потенциальная энергия тяготения превратится в кинетическую энергию звездного вещества.
Плотность звезды определяется равновесием между силой тяжести и силой давления вещества звезды. Для того чтобы звезда сжалась, давление должно уменьшиться. Очень сильное уменьшение давления могло бы произойти при образовании нейтронного вещества, когда протоны и электроны превращаются в нейтроны. Попробуем в этом разобраться.
Давление пропорционально кинетической энергии частиц, из которых состоит вещество. При понижении температуры падает кинетическая энергия частиц и поэтому падает давление. Однако даже при абсолютном нуле температуры кинетическая энергия частиц не равна нулю. Дело в том, что нейтроны, протоны и электроны подчиняются запрету Паули - две одинаковые частицы со спином 1/2 не могут находиться в одном и том же состоянии. По этой причине даже при абсолютном нуле температуры частицы не покоятся и обладают разными скоростями - как говорят, разбросаны по скоростям. При этом наибольшую кинетическую энергию имеют легкие частицы. Таким образом, главный вклад в давление в звезде вносят электроны, масса которых приблизительно в две тысячи раз меньше массы протона или нейтрона. Неудивительно, что сила тяжести сжимает нейтронное вещество до гораздо большей плотности, чем обычное вещество, состоящее из атомных ядер и электронов, - ведь при этом легкие частицы заменяются тяжелыми, и давление резко падает.
Если бы в результате ядерных превращений звезда могла превратиться в нейтронную, то это привело бы к резкому сжатию звезды и за короткое время освободилась бы громадная энергия. Достаточна ли она для объяснения вспышки сверхновой? Этот вопрос пока остается без ответа. При таком внезапном сжатии звезды должны возникать могучие упругие волны, идущие от центра. Под их действием наружная часть звезды могла бы сбрасываться, превращаясь в горячий газ, который разлетается с громадной скоростью. Свечение этого газа и объясняло бы длительность вспышек сверхновой.
Итак, всвышки сверхновых перестали казаться загадочным явлением - появились надежды объяснить их как следствие сжатия звезд в ходе ядерных превращений.
Но от догадки до прочно установленного утверждения нужно пройти долгий путь сомнений и доказательств.
В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Уже два года спустя астрономы Карл Бааде и Вальтер Цви-ки сделали предположение, что вспышки сверхновых возникают в процессе рождения нейтронной звезды. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть эту догадку, следовало изучить свойства нейтронного вещества и выяснить, может ли оно образоваться внутри звезды. А для этого понадобилось около тридцати лет экспериментального н теоретического исследования ядерной материи.
Что же стало известно в результате этого исследования?
В 1937 году Л. Д. Ландау высказал мысль, что звезда достаточно большой массы должна состоять из нейтронного вещества. Для образования нейтронного вещества атомные ядра и электроны должны превратиться в нейтроны. Допустим, что звезда состоит из кислорода. В ядре каждого атома кислорода имеется восемь нейтронов и восемь протонов. Восемь протонов ядра и восемь электронов, окружающих атомное ядро кислорода, должны превратиться в восемь нейтронов. Эта реакция энергетически невыгодна - на образование каждого нейтрона надо израсходовать несколько миллионов электрон-вольт. Если масса звезды достаточно велика, процесс образования нейтронов с избытком обеспечивается энергией, выделяющейся при сжатии звезды. В 1937 году Ландау показал, что превращение кислорода в нейтронное вещество делается энергетически возможным уже при массе звезды, составляющей малую долю массы Солнца. Однако такое превращение не может произойти сразу, а только через целую цепь ядерных реакций; каждая из этих реакций требует сравнительно небольшой затраты энергии, которая берется из энергии теплового движения частиц звезды.
Для того чтобы убедительно доказать возможность образования нейтронной звезды, понадобились детальные сведения о ядерных реакциях и особенно о свойствах нейтронного вещества. Эти сведения были получены из анализа свойств атомных ядер и из опытов по рассеянию нейтронов и протонов на ядрах. Например, стало известно, что на малых расстояниях притяжение между нуклонами (нейтронами и протонами) сменяется отталкиванием, что затрудняет сжатие нейтронного вещества до плотности, в несколько раз превышающей ядерную плотность. Некоторые из энергетических уровней ядра связаны с его вращением вокруг собственной оси. Измеряя энергии спектральных линий, испускаемых при переходах между такими уровнями, можно определить моменты инерции ядер.
Моменты инерции оказались значительно меньше, чем они должны быть у шарика того же радиуса и той же плотности, что и ядро. Это значит, что во вращение вовлекается не все вещество ядра. Следовательно, отдельные части ядра могут двигаться без трения друг относительно друга - иначе обязательно завращалось бы все вещество. Теоретический анализ экспериментальных данных по моментам инерции ядер позволил автору этой книги в 1959 году сделать утверждение о том, что нейтронное вещество при ядерной плотности должно быть сверхтекучим, то есть двигаться без трения вплоть до температур Т~10^{10} К.
Итак, физики пришли к выводу, что под большим давлением из обычного вещества должна образоваться нейтронная сверхтекучая жидкость, которая будет сжиматься в звезде до ядерных плотностей. Однако все заключения о свойствах нейтронного вещества были абстрактной игрой ума, поскольку само существование нейтронных звезд оставалось только правдоподобным предположением. Так было вплоть до 1968 года.
Открытие пульсаров
В 1968 году группа астрономов из Кембриджа открыла звезду с пульсирующим излучением - пульсар. Уже через год десятки пульсаров были обнаружены многими обсерваториями земного шара. Это открытие стало
возможным благодаря развитию радиоастрономии, позволяющей обнаруживать объекты со светимостью в 1010 меньшей, чем у тех, которые доступны оптическим телескопам.
