Белые карлики. Продолжение.

белые карлики

Остается еще одна интереснейшая проблема: какова же природа сверхтяжелого вещества белых карликов? Каковы особенности их внутреннего строения? Прежде чем говорить об этом, нам придется снова сделать небольшое отступление — рассказать о строении других звезд.

Обычно считается, что вещество может находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. В твердом теле атомы образуют кристаллическую решетку и совершают малые колебания около неподвижных положений равновесия. С повышением температуры амплитуда (размах) этих колебаний увеличивается, и тело плавится, превращается в жидкость. Колебания при этом не прекращаются, но сами положения равновесия медленно перемещаются по жидкости. При дальнейшем повышении температуры происходит кипение, образуется газ. В газообразном состоянии разорваны связи, удерживающие атомы друг около друга. Атомы движутся хаотически, время от времени сталкиваясь, разлетаясь и т. д.

А что произойдет, если дальше увеличивать температуру? Оказывается, при этом возникает новое, четвертое состояние вещества — ионизованный газ или плазма. Соударения быстрых атомов приводят к «срыву» входящих в их состав электронов, которые начинают вести самостоятельную жизнь. Таким образом, горячая плазма представляет собой систему быстрых ядер и электронов. В отличие от обычного газа частицы плазмы довольно сильно взаимодействуют друг с другом благодаря наличию у них электрического заряда. Свойства плазмы очень своеобразны и многие из них стали известны лишь в самое последнее время, когда плазмой заинтересовались в связи с проблемой «искусственных солнц» — управляемых термоядерных реакций.

Именно в таком, плазменном состоянии находится вещество в недрах большинства звезд, и, в частности, Солнца. Господствующие там температуры значительно превышают температуру поверхности звезды и достигают десятков миллионов градусов. В этом своеобразном состоянии вещества звездных недр и кроется секрет колоссального освобождения энергии в звездах.

Атомные ядра, как известно, заряжены одноименно и испытывают взаимное электростатическое отталкивание. Поэтому для тесного сближения ядер, которое необходимо для протекания реакции, они должны иметь достаточно большие встречные скорости. В лабораториях это достигается тем, что ядра ускоряются на специальных ускорителях. В звездах же (как, кстати, и в будущих установках по термоядерному синтезу) ускоряющим началом служит высокая температура. Словом, «зажженные» высокой температурой ядерные реакции и являются источником тех громадных потоков энергии, которые излучаются звездами.

Как видим, обычные звезды состоят из плазмы. И именно плазма в них «работает». А белые карлики? Здесь дело сложнее.

ПЛАЗМА ИЛИ МЕТАЛЛ!

Вы уже хорошо уяснили себе главное отличие белых карликов от остальных звезд: чрезвычайно высокая плотность вещества. Что же касается внутренней температуры, то она более или менее одинакова для всех звезд.

Будем сначала считать карлик холодным (о температуре мы еще вспомним). И попробуем мысленно «приготовить» такую сверхплотную материю. Возьмем холодное твердое тело и сожмем его с исполинским, недостижимым в земных условиях, усилием. Сжать тело — значит сообщить ему энергию. Поэтому электроны, ставшие достаточно энергичными, оторвутся, в конце концов, от своих ядер. Хотя возникший при этом «холодный» электронный газ и не будет вполне схож с «горячим» электронным газом плазмы, можно тем не менее сказать, что сжатие подействует на электроны так же, как нагревание — оторвет их от ядер атомов. Но на этом сходство между разогреванием и сжатием вещества исчерпывается.

Для понимания внутренней структуры белого карлика очень важным является то обстоятельство, что на ядра нагревание и сжатие действуют прямо противоположным образом. При нагревании, как мы знаем, кристаллическая решетка разрушается (плавление), при сжатии же — наоборот, стабилизируется, становится более жесткой. Действительно, жесткость обычной кристаллической решетки, благодаря которой твердое тело является на самом деле твердым, обусловлена в конечном счете электрическими силами — взаимным притяжением или отталкиванием, которые испытывают ядра и электроны. А электрические взаимодействия, как это следует из известного каждому восьмикласснику закона Кулона, увеличиваются с уменьшением расстояния между зарядами. Сжатие как раз и приводит к такому уменьшению. Следовательно, жесткость решетки при этом возрастает.

Таким образом, наше сжатое вещество находится в очень твердом состоянии, причем все его электроны свободно перемещаются по телу. Подобное вещество напоминает металл. Ведь в обычном металле тоже имеется электронный газ (он-то и придает металлу высокую электропроводность). Однако большая часть электронов там остается связанной с ядрами.

Теперь вспомним, что в белых карликах, кроме сверхвысокого давления, есть еще температура, и притом немалая. Как она подействует? На электронном газе она практически не скажется, так как он и без того имеет высокую энергию. Однако на ядра, точнее говоря на решетку ядер, температура окажет свое обычное разрушительное влияние. Будет ли это тепловое воздействие достаточно сильным, чтобы разрушить решетку, ставшую очень жесткой из-за высокой плотности? Поскольку поставить опыт мы не можем, ответ на такой вопрос могут дать только вычисления.

Эти вычисления были выполнены. И они показали, что решетка атомных ядер в сверхплотном веществе вовсе не обязательно должна разрушиться от высокой температуры. Жесткость решетки вполне способна противостоять нагреву, даже очень сильному. А значит, в отличие от других звезд, вещество которых находится в состоянии плазмы, белые карлики вправе иметь структуру твердого тела. Белый карлик может походить на глыбу сверхпрочного раскаленного металла!

«УМИРАЮЩИЕ» ИЛИ «ЗАСНУВШИЕ»!

А теперь вернемся к вопросу о судьбах наших удивительных звезд. Вы, вероятно, помните, что говоря о будущем белых карликов, мы упомянули две гипотезы. Одна из них, которой придерживается большинство ученых, состоит в том, что белые карлики — «умирающие» небесные тела (не имеют собственных источников энергии и постепенно остывают). Другая же гипотеза, напротив, допускает возможность возрождения активности этих звезд. Сейчас, имея представление о внутренней структуре карликов, мы уже можем серьезно обсудить эти гипотезы.

Если бы вещество карлика находилось в состоянии плазмы, ядерные реакции в нем протекали бы необычайно быстро. Достаточно сказать, что расстояние между ядрами сжатого вещества мало, и им сравнительно нетрудно преодолеть взаимное отталкивание. Поэтому в такой звезде ядерное горючее должно быстро «выгореть». Именно в этом заключался основной аргумент сторонников первой гипотезы.

Ну, а если карлик твердый? «Выгорит» ли его вещество? Интуиция подсказывает, что скорость реакции должна при этом сильно упасть. Действительно, «замороженным» в решетке ядрам, чтобы сблизиться, нужно преодолеть не только взаимное отталкивание, но и стабилизирующие силы со стороны своих соседей по решетке.

Расчет полностью подтверждает эти соображения. Скорость реакции может уменьшаться чрезвычайно сильно — в миллиард раз! Поэтому допустимая концентрация ядерного горючего (конкретно речь идет о водороде) может резко возрасти. И белый карлик способен хранить в себе могучие силы, способен заново вспыхнуть. Выбор между гипотезами «умирания» и «засыпания», как видите, еще не сделан. Можно думать, что гипотеза о твердых карликах, разработка которой еще только началась, внесет в этот вопрос должную ясность.

ЗАГАДКА СИРИУСА-В

Особенно показательна в этом смысле история с нашим старым знакомым — Сириусом-В. Он еще продолжает причинять неприятности астрофизикам. Дело в том, что если считать его плазменной звездой, то допустимая концентрация водорода составляет в нем всего тысячную долю процента. С другой стороны, по измеренным значениям его массы и радиуса можно теоретически определить концентрацию водорода. Этот расчет приводит к величине 50—70 процентов. Налицо сильнейшее противоречие!

Если же считать Сириус-В твердым, то по предварительным оценкам можно поднять допустимую концентрацию водорода до нескольких процентов, то есть в тысячу раз. Возможно, что удастся подвинуться в этом направлении и дальше — «разрешить» карлику еще большие запасы ядерного топлива. С другой стороны, очень вероятно, что и наблюдательные данные недостаточно точны. Встает проблема глубокого астрофизического исследования загадочной звезды.

Заканчивая эту статью, хочется подчеркнуть, что в отличие от «земной» физики выводы астрофизики носят гораздо более предположительный, гипотетический характер. Тому причиной удаленность небесных объектов и «мутность» нашего окна во Вселенную — наличие земной атмосферы. Поэтому астрофизика развивается в трудных условиях и многие из ее выводов еще ждут своего окончательного подтверждения.

Тем не менее, у астрофизиков есть все основания быть оптимистами. Совсем недавно мы стали свидетелями того, как применение радиометодов в астрономии привело к подлинному перевороту в этой древней науке. Нет никакого сомнения в том, что вынесение земных обсерваторий за пределы атмосферы — даст колоссальный толчок науке о небе, в сильнейшей степени углубив и расширив наши знания о природе.

Автор: Д. Киржниц.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *