КРАБОВИДНАЯ ТУМАННОСТЬ

Сверхновая звезда — это взрыв такой чудовищной силы, что трудно поверить, чтобы после него не осталось никаких следов. Звезда, просверкавшая столь краткое время светом целой галактики, непременно должна оставить после какой-то пепел — и она его оставляет.

Поскольку о существовании сверхновых стало известно только с 30-х годов, едва ли в этих остатках видели именно то, чем они являлись на самом деле. Скорее всего, эти следы раньше замечали без распознания их истинной природы. В 1731 г., например, английский астроном Джон Бевис (1693–1771) первым заметил маленькое белесоватое пятнышко в созвездии Тельца.

Месье — известный охотник за кометами — заметил его тоже и, полагая, что пятно ошибочно могут принять за комету, занес его в список объектов, не заслуживающих внимания других кометоискателей. Этот объект он занес в свой список первым, так что туманное пятно в созвездии Тельца иногда фигурирует среди ученых как М1.

Первым астрономом, детально исследовавшим М1 (в 1845 г.), был Уильям Парсонс, работавший с тем же широким телескопом, который впоследствии использовал для открытия спиральной природы многих отдаленных галактик. Для Парсонса объект М1 стал не просто бесформенной пухлой массой; его телескоп, раздвинув рамки отдаленного, показал более подробную картину; пятно в телескоп выглядело как некий возмущенный объем газа, нечто такое, что невольно внушало мысль: М1 — это остатки сильнейшего взрыва. Внутри газового облака выделялись клочковатые пряди света, которые чем-то напомнили Парсонсу ноги краба. Он назвал М1 Крабовидной туманностью, с тех пор это название так за ней и осталось.

Крабовидная туманность стала привлекать к себе пристальное внимание: ведь в звездном небе не найдешь ничего, что хотя бы издали на нее походило! Ничего, что давало бы столь ясную картину совершавшегося на глазах взрыва. Туманность начали фотографировать, и, следовательно, появилась возможность сравнивать снимки, сделанные в разные годы.

Первым провел такое сопоставление американский астроном Джон Чарлз Дункан (1882–1967). В 1921 г. он сделал снимок Крабовидной туманности и тщательно сравнил его с фотографией, выполненной другим американским астрономом — Джорджем Уиллисом Риччи (1864–1945), причем на том же телескопе, которым теперь пользовался Дункан. Дункану показалось, что на его фотографии Крабовидная туманность чуть-чуть шире, чем у Риччи. Судя по всему, туманность расширялась.

Если это расширение действительно было, то Крабовидная туманность — это не что иное, как остатки новой, и, судя по масштабам газопылевого облака, новой весьма внушительных размеров. Еще одна фотография, сделанная Дунканом в 1938 г., подтвердила правильность этого вывода.

Вскоре после первого сообщения о расширении туманности в 1921 г. Хаббл (ставший вскоре знаменитым, разрешив туманность Андромеды на звезды), сопоставив этот факт и расположение туманности в созвездии Тельца, где китайцы когда-то заметили «звезду-гостью», предположил, что туманность — это все еще расширяющиеся следы взорвавшейся в 1054 г. очень яркой новой.

Звучало весьма правдоподобно, но как доказать сам факт? По наблюдаемой скорости расширения туманности путем обратного отсчета можно было установить, сколько времени назад все это облако газа и пыли было собрано в одной светящейся точке-звезде, т. е. подсказало бы астрономам, сколько времени протекло с того момента, как взорвалась звезда. Период времени, истекший после взрыва, оказался 900 лет. Это помещало взрыв почти как раз в 1054 год — год яркой новой, горевшей в созвездии Тельца.

С тех пор астрономы повсюду стали отождествлять Крабовидную туманность с новой 1054 г.

Можно было обратить видимую скорость расширения Крабовидной туманности в истинную скорость, исследуя смещение темных линий в ее спектре. Получалось около 1300 км/с. Теперь можно было легко подсчитать, как далеко должна была находиться Крабовидная туманность, чтобы эта истинная скорость соответствовала бы видимой, отмечаемой на фотографиях. Оказалось, что Крабовидная туманность находится от нас на расстоянии 2000 парсек.

Зная это расстояние, можно по видимой ширине туманности найти, что она имеет теперь около четырех парсек в диаметре и, конечно, продолжает с постоянством расширяться.

Из свидетельства о яркости новой 1054 г., зная настоящее расстояние до нее, можно вычислить, что, видимая с 10 парсек — стандартного расстояния для определения абсолютной звездной величины, эта новая в пике своего блеска должна была, очевидно, сиять с абсолютной величиной — 18. Иными словами, в максимуме блеска это звездное извержение сопровождалось потоком света, превышающим в 1,6 млрд. раз светимость нашего Солнца и равным примерно 1/60 светимости всего Млечного Пути (если весь этот свет сосредоточить в одной точке). Вне всякого сомнения, новая 1054 г. была настоящей сверхновой.

Поскольку Крабовидная туманность находится от нас на расстоянии 2000 парсек, она должна быть настоящей туманностью, состоящей из пыли и газа. Она не может быть очень отдаленным скопищем звезд, каковым оказалась туманность Андромеды. В этом случае она должна бы излучать спектр, состоящий из отдельных светлых линий различной длины волн, как излучает туманность Ориона. На самом же деле это не так. Крабовидная туманность имеет непрерывный спектр, излучая свет на всех длинах волн, как звезды. В сущности, она имеет значительно более высокую температуру, чем звезды, так как Крабовидная туманность излучает свет на очень коротких, энергонасыщенных длинах волн, включающих не только ультрафиолетовые лучи, но и более короткие рентгеновские и еще более короткие гамма-лучи. Она также обильно излучает щедрые дозы длинноволновой радиации в радиодиапазоне, которая поляризована, т. е. колебания ее распространяются в одном направлении.

Источник такого непрерывного спектра высокой энергии оставался тайной до 1953 г., когда советский астроном Иосиф Шкловский (1916–1985) предположил, что источник порождается быстрыми электронами, с высокой скоростью проходящими через сильное магнитное поле. И это оказалось не просто теорией. Точно такое же явление (разумеется, в сильно уменьшенном масштабе) мы наблюдаем в ускорителях частиц, называемых синхротронами, сконструированных физиками-ядерщиками.

В синхротронах электрически заряженные частицы проходят через магнитные поля и выделяют так называемую синхротронную радиацию.

Похоже, Крабовидная туманность источала синхротронную радиацию в огромном количестве, но откуда поступали электроны? Откуда бралась вся та энергия, которая гнала электроны сквозь магнитное поле в течение девяти веков после взрыва сверхновой?

В 1945 г. Бааде, который совместно с немецко-американским астрономом Рудольфом Минковским (1895–1976) вычислил общепризнанное теперь расстояние до галактики Андромеды, наблюдал небольшие изменения в Крабовидной туманности вблизи двух звезд в центре ее структуры. Астрономы утверждали, что одна из этих звезд должна быть остатком объекта, пережившего взрыв сверхновой. Однако, чтобы поддерживать неиссякаемым такой поток синхротронной радиации, эта остаточная звезда должна посылать энергию с интенсивностью в 30 000 раз большей, чем наше Солнце. Как могло случиться такое, оставалось загадкой, которую не суждено было решить в течение последующей четверти века.

Если сверхновая 1054 г. оставила после себя столь удивительное напоминание, то другие сверхновые могли бы, очевидно, сделать то же самое. В этом смысле любое газопылевое облако, обнаруживающее синхротронную радиацию, можно было бы взять на подозрение. Однако, чем дальше отстояло от нас во времени извержение сверхновой, тем шире и разреженнее становилось облако и тем меньше его радиация.

Необычные свойства Крабовидной туманности могли объясняться тем, что сверхновая 1054 г. — сравнительно молода, относительно близка, ее не заслоняют облака космической пыли и она вся как бы на виду. Однако радиоволны пронизывают пылевые облака без особых помех. С 40-х годов нашего столетия астрономы используют все более чувствительные приборы и методы для обнаружения радиоволн, приходящих из космоса.

В 1941 г. Бааде обнаруживает в созвездии Возничего туманные волокна, примерно в том же месте, где Кеплер видел сверхновую 1604 г. Возраст остатков этой сверхновой составляет примерно треть возраста Крабовидной туманности, но вместе с тем она и гораздо дальше от нас, около 11000 парсек, так что ее возраст угадать точно сложно. Бааде не мог доказать, что эти неясные волокна пыли и газа в самом деле остатки сверхновой. Однако в 1952 г. два астронома из Кембриджского университета — Р. Браун и С. Хазард обнаружили, что эти газопылевые остатки являются мощным источником радиоволнового излучения, и это обстоятельство со всей очевидностью они связали со сверхновой 1604 г.

В том же году Браун и Хазард обнаружили радиоволны, идущие из того же района Кассиопеи, который соответствует Новой Тихо Браге. Позднее Минковский, работая с 200-дюймовым телескопом на Маунт Паломар в Калифорнии, обнаружил в этом участке зримо видимые следы, находящиеся от нас на расстоянии 5000 парсек. Затем в 1965 г. был запеленгован источник радиоволнового излучения в созвездии Волка, являющийся, должно быть, остатками большой сверхновой 1006 г., находившейся от нас, по-видимому, на расстоянии всего 1000 парсек.

Итак, четыре известные сверхновые последнего тысячелетия — все оставили после себя следы. Есть и пятое напоминание. В 1948 г. британские астрономы Мартин Райл (1918–1984) и Ф. Смит (р. 1923) открыли мощный радиоисточник в Кассиопее. Позднее Минковский обнаружил совпадающую с ним туманность, названную Кассиопея А. Она не принадлежала к району сверхновой Браге, но, казалось, имела признаки, роднившие ее с остатками сверхновой. Если они были последствием сверхновой, то такой взрыв должен быть виден на Земле где-то в 1677 г., но его, вероятно, заслонили межзвездные облака, поэтому никто о нем не обмолвился.

Еще один «подозрительный» объект, называемый «Лебединая петля», имеется, как можно догадаться, в созвездии Лебедя. Его составляют искривленные пряди туманности, напоминающие часть кольца диаметром 3°, или 6-кратная ширина полной Луны. Если это — остаток сверхновой, то извержение звезды случилось около 60 000 лет назад.

Другая необычная структура впервые привлекла внимание астрономов в 1939 г., когда американский астроном русского происхождения Отто Струве (1897–1963) заметил едва различимую туманность в южном созвездии Паруса. С 1950 по 1952 г. находку не выпускал из поля зрения австралийский астроном Колин С. Гам (1924–1960), опубликовавший свои наблюдения в 1955 г. Оказалось, что туманность Гама, как ее теперь называют, — это крупнейшая из ныне известных; она охватывает, наверное, шестнадцатую часть неба, однако так разрежена, что ее нелегко заметить; кроме того, ее наблюдение из Соединенных Штатов или Европы затруднено, поскольку она находится слишком далеко на юге.

Туманность Гама имеет грубо сферическую форму и почти 720 парсек в поперечнике. Центр ее находится на расстоянии 460 парсек от Солнечной системы, что делает ее самой близкой из всех известных туманностей. Ее ближайший край лежит от нас всего в 100 парсеках, и ученые одно время всерьез даже подозревали, что наша Солнечная система входит в ее пределы.

Эта туманность может быть следствием сверхновой, взорвавшейся 30 000 лет назад, которая, по-видимому, в течение краткого времени светила с яркостью полной Луны. В то время уже существовал вид homo sapiens. Любопытно бы знать, заметили ли неандертальцы, обретавшиеся далеко на юге, эту вторую Луну на небосводе.

НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ

Если сверхновая — видимая вспышка взрывающейся звезды — обнаруживает энергию гораздо большую, чем обычная новая, то на основании представлений 20-х годов было бы логично заключить, что часть звезды, которая не была выброшена в пространство в виде газопылевого облака, сжалась (коллапсировала) до размеров белого карлика.

Центральная звезда Крабовидной туманности была голубоватой и горячей, такая же звезда существовала в центре туманности Гама. Может быть, и все другие остатки сверхновых имели в центре своем белых карликов, которые часто бывали слишком слабы для наблюдения? Казалось совершенно ясно, что маленькие горячие звезды в центре Крабовидной туманности и туманности Гама видны лишь потому, что эти звездные остатки оказались в относительной к нам близости.

Первое сомнение на счет того, что белые карлики могут быть единственно и повсеместно результатом звездного сжатия (коллапса), связано с работой американского астронома индийского происхождения Субрахманьяпа Чандрасекара (р. 1910). Он считал, что, когда звезда коллапсировала, образовавшийся белый карлик больше не способен иметь ядерные реакции, поэтому нельзя рассчитывать на энергию синтеза, которая могла бы удержать его от сжатия.

И все-таки белый карлик не сжимался так плотно, как можно было ожидать. Если бы атомы разрушились и материя сжалась до соприкосновения атомных ядер друг с другом, то объект, подобный нашему Солнцу, съежился бы до размеров шара диаметром всего 14 км. Белые карлики достигают в диаметре 12 000 км, и крошечные ядра все еще достаточно далеки друг от друга. Даже при такой плотности, по правде говоря, белый карлик ухитрялся каким-то образом вести себя как газ.

Чандрасекару удалось показать, что силой, удерживающей карлик в таком полусжатом состоянии, были содержащиеся в нем электроны. Электроны уже не существовали как часть атомов, но пребывали в беспорядочном движении, как своего рода электронный газ. Сближаясь, они отталкивали друг друга, и даже мощное гравитационное поле белого карлика не могло стиснуть их выше определенной точки. Чем массивнее белый карлик, тем сильнее гравитационное поле, а чем сильнее это поле, тем плотнее сжимается электронный газ. Отсюда следует: чем массивнее белый карлик, тем меньше его диаметр.

В какой-то момент способность электронного газа противостоять давлению бывает сломлена и белый карлик коллапсирует.

В 1931 г. Чандрасекар высчитал, что такая катастрофа имеет место при массе, равной 1,44 массы Солнца. Она известна как «предел Чандрасекара». Все без исключения белые карлики, масса которых была определена, имеют массу меньше 1,44 массы Солнца.

Сначала это нисколько не озадачило ученых. Ведь свыше 95 % существующих звезд имеют массу ниже предела Чандрасекара и, попросту говоря, не имеют другого выбора, как превратиться в белый карлик.

С другой стороны, даже для незначительного меньшинства звезд, масса которых выше этого предела, проблемы как будто тоже не существует. Перед коллапсом звезды взрываются и отбрасывают наружные покровы, теряя тем самым в своей массе. Чем массивнее звезда, тем сильнее будет взрыв и поэтому тем крупнее будет потеря массы. Крабовидная туманность, включающая массу, рассеянную в результате взрыва сверхновой 1054 г., имеет массу в три раза больше солнечной.

Можно было рассуждать так: каждая массивная звезда, прежде чем коллапсировать, взрывается и «сбрасывает» с себя так много собственной массы, что оставшаяся в ядре всегда будет меньше 1,44 массы Солнца и, следовательно, сожмется в белый карлик.

Однако у Чандрасекара было одно сомнение. Если звезда первоначально была настолько массивной, что даже после того, как она сбросила всю, какую могла, массу, то остаток был все еще больше 1,44 массы Солнца? В таком случае, пережив свой коллапс, она все-таки не станет белым карликом. А что же случится? Давайте продумаем до конца. Белый карлик состоит из атомных ядер и электронов. Атомные ядра построены из протонов и нейтронов. Нейтроны не имеют никакого электрического заряда, протоны имеют положительный электрический заряд, который в точности равен заряду всех остальных протонов и произвольно принимается за единицу. Иначе говоря, каждый протон имеет заряд +1.

Все электроны тоже имеют подобные заряды, но отрицательные. Каждый электрон несет заряд, прямо противоположный заряду протона, и заряд его поэтому -1.

Протоны и электроны, обладая разноименными зарядами, притягивают друг друга, но только до определенного предела. Когда они приближаются друг к другу слишком близко, берут верх другие силы и возникает отталкивание гораздо более сильное, чем притяжение разноименных, зарядов. Это другая причина, и причина более существенная, чем взаимное отталкивание электронов, удерживающее белый карлик от чрезмерного сдавливания.

По мере того как гравитационное поле становится все сильнее, электроны приближаются друг к другу и к протонам, пока в какой-то момент их не принудят сомкнуться с протонами. Когда это случится, противоположные электрические заряды уничтожают друг друга. Вместо отрицательного электрона и положительного протона вы получаете электрически нейтральное соединение обоих. Короче, вы получаете нейтрон.

Если коллапсирующая звезда имеет массу, превышающую предел Чандрасекара, то по мере ее сжатия электроны и протоны соединяются друг с другом, образуя нейтроны, которые присоединяются к уже существующим. В коллапсирующей звезде нет ничего, кроме нейтронов, которые, будучи лишены заряда, уже никак не могут отталкивать друг друга. Тогда звезда сжимается до тех пор, пока нейтроны не соприкоснутся друг с другом. И вот — нейтронная звезда.

Нейтронная звезда, как было сказано, способна уплотнить всю массу Солнца в шар размером не более 14 км в диаметре. Такая звезда гораздо меньше и плотнее белого карлика, имеет более сильное гравитационное поле.

В 1934 г. Цвикки, начинавший свои исследования сверхновых в других галактиках, высказал догадку о возможном существовании нейтронных звезд как конечного продукта гигантских взрывов.

Он понимал, что сверхновая, отдающая энергии в миллион раз больше, чем обычная новая, должна испытывать колоссальные взрывы. Громадный взрыв должен вести и к более разрушительному коллапсу. Даже если сжимающиеся остатки были бы недостаточно массивны, чтобы исключить образование нейтронной звезды, они могли бы сокращаться с достаточной скоростью по энергии, минуя стадию белого карлика. По этой причине нейтронная звезда могла бы кончиться массой, меньшей 1,44 массы Солнца.

Спустя какое-то время американский физик Роберт Оппенгеймер (1904–1967) и его ученик Джордж Михаил Волков разработали математические модели образования нейтронных звезд. Советский физик Лев Давидович Ландау (1908–1968) сделал то же самое независимо от них.

В тридцатые годы казалось вполне логичным, что результатом сверхновых было образование нейтронных звезд, но не было способа проверить это реальным наблюдением. Даже если нейтронные звезды действительно существовали, их крошечный размер, казалось, лишь подтвердил бы, что такая звезда, даже относительно близкая и наблюдаемая в крупный телескоп, выглядит чрезвычайно слабой. И если бы ее можно было увидеть, то решительно ничего нельзя было бы узнать о ней, кроме того, что она чрезвычайно слаба. Так, например, звезда в центре Крабовидной туманности была слабой, но как можно поручиться, что это нейтронная звезда, а не белый карлик? Однако, какой бы она ни была, сам факт, что ее можно видеть, склонял чашу весов в пользу белого карлика.

Впрочем, была одна смелая надежда. Сам акт катастрофического сжатия должен неизбежно сопровождаться огромным скачком температуры, поэтому поверхность нейтронной звезды в момент ее образования имела бы температуру порядка 10 000 000 °C. При такой температуре, даже допуская несколько тысяч лет остывания, ее излучение включало бы изрядную долю рентгеновских лучей.

Отсюда следует, что если звезда очень маленькая и тусклая, но из района ее нахождения в небе приходят рентгеновские лучи, то ее можно сильно подозревать в принадлежности к нейтронным.

Эта отчаянная надежда переплетается, однако, с одним грустным фактом. Рентгеновские лучи не могут пробить атмосферу: они взаимодействуют с молекулами и атомами воздуха и уже не выживают как таковые при своем подлете к земной поверхности. Поэтому нейтронные звезды, может быть, и посылают сигналы высоких энергий, но это не меняет дела, или, по крайней мере, так казалось в 30-х годах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: