Объяснение масс и окружностей звезд — белых карликов

 

Для качественного понимания того, почему белые карлики имеют такие массы и окружности, которые показаны на рис. 4.3, посмотрите на иллюстрацию внизу. На ней показаны среднее давление и гравитация в белом карлике (отложены по вертикали) как функция окружности звезды (отложены вправо) или плотности (отложена влево). Если Вы сжимаете звезду, так что увеличивается ее плотность и уменьшается окружность (движение на рисунке влево), то давление звезды повышается в соответствии со сплошной кривой, быстрее для плотностей, где сопротивление сжатию равно 5/3, и медленнее для больших плотностей, когда сопротивление — 4/3. Это же самое сжатие звезды заставляет поверхность звезды приближаться к ее центру, таким образом, увеличивая силу внутренней гравитации звезды в соответствии

 

с ходом штриховых линий. Скорость увеличения гравитации аналогична 4/3 у сопротивления: увеличение гравитации на 4/3 на каждый процент сжатия. На рисунке показаны несколько штриховых линий гравитации для нескольких значений массы, и чем больше масса звезды, тем сильнее ее гравитация.

В каждой звезде, например в звезде с массой в 1,2 солнечной, гравитация и давление должны уравновешивать друг друга. Поэтому звезда должна существовать на пересечении штриховой линии гравитации, отмеченной как «1,2 солнечной массы», и сплошной кривой давления: это пересечение определяет окружность звезды (указана на горизонтальной оси графика). Если окружность будет больше, то штриховая линия гравитации звезды будет проходить выше сплошной

-- ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СКЛАДКИ ВРЕМЕНИ

кривой давления, гравитация преодолеет давление, и звезда будет охлопываться. Если окружность меньше, то давление преодолевает гравитацию, и звезда взрывается.

Пересечения нескольких штриховых линий со сплошной кривой соответствуют массам и окружностям равновесия белых карликов, показанным в правой части рис. 4.3. Для звезды меньшей массы (самая нижняя штриховая линия) окружность в точке пересечении является большой. Для звезды с большей массой (более высокая штриховая линия) — окружность меньше. Для звезды с массой больше 1,4 солнечной вообще нет пересечений, штриховая линия гравитации лежит всегда выше сплошной кривой давления и, таким образом, гравитация всегда преодолевает давление, независимо от того, какова окружность звезды, и заставляет звезду схлопываться.

После обеда Эддингтон сам отыскал Чандрасекара и сказал: «Я попросил Смарта дать Вам полчаса вместо обычных пятнадцати минут». Чандрасекар поблагодарил и собрался было что-то спросить относительно выступления Эддингтона, но тот, извинившись, откланялся. Раздражение Чандрасекара переросло в смятение.

 

Схватка

 

 

На следующее утро Чандрасекар на поезде приехал в Лондон и взял такси до Берлингтон Хаус, где размещалось Королевское астрономическое общество. Когда он со своим другом Биллом Мак-Крэем ожидал начала заседания, к ним приблизился проходивший мимо Эддингтон, и Мак-Крэй, только что ознакомившийся с программой, спросил: «Профессор Эддингтон, что Вы нам поведаете о релятивистском вырождении?» В ответ Эддингтон, повернувшись к Чандрасекару, сказал: «Это будет для вас сюрпризом» и удалился, оставив Чандрасекара в еще большем недоумении.

Но вот заседание началось. Время медленно тянулось, пока президент Общества делал разные объявления, а астрономы выступали с докладами. Наконец, подошла очередь Чандрасекара. Подавив беспокойство, он выступил безупречно, особенно выделив в своем сообщении полученный им максимальный предел массы белых карликов.

После вежливых аплодисментов членов Общества президент предоставил слово сэру Артуру Эддингтону.

Эддингтон начал спокойно, сделав обзор истории исследования белых карликов. Затем, набирая обороты, он описал беспокоящие его следствия существования предельной массы. На диаграмме Чандрасекара, на которой по вертикали отложена масса звезды, а по горизонтали диаметр (рис. 4.4), существовала только одна совокупность масс и диаметров звезд, для которой гравитация может быть уравновешена нетепловым давлением (т. е. давлением, которое остается

 

после остывания звезды) — это и есть белые карлики. В области слева от кривой белых карликов Чандрасекара (заштрихованная область, звезды с меньшим диаметром) давление вырождения полностью пересиливает гравитацию, что должно для любой звезды, находящейся в заштрихованной области, привести к взрыву. Справа от кривой (светлая область, звезды с большим, чем у белых карликов, радиусом), напротив, гравитация превозмогает давление вырождения звезды. Каждая холодная звезда, оказавшаяся в этой области, немедленно схлопнется под действием гравитационного сжатия.

Солнце может существовать в светлой области, поскольку сейчас оно очень горячее; его термическому (обусловленному теплом) давлению удается уравновешивать гравитацию. Однако когда Солнце, в конце концов, остынет, его тепловое давление исчезнет, и Солнце не сможет больше себя поддерживать. Гравитация заставит его сжиматься до все меньших размеров, стискивая электроны Солнца во все уменьшающихся ячейках, пока, наконец, они не смогут противопоставить сжатию достаточное давление вырождения. В процессе такого сжатия — «смерти» масса Солнца будет оставаться почти постоянной, тогда как его диаметр будет уменьшаться и, следовательно,

 

оно будет двигаться влево вдоль горизонтальной линии на рис. 4.4, пока, наконец, не остановится на кривой белых карликов — своей гробнице. В этом состоянии, в виде белого карлика, Солнце будет существовать всегда, постепенно остывая и превращаясь в черный карлик — холодный темный твердый объект, с размером, примерно равным размеру Земли, но в миллионы раз более тяжелый и плотный.

Такая конечная судьба Солнца казалась Эддингтону вполне удовлетворительной. Но не конечная судьба звезд, имеющих массу, большую предельной массы, полученной Чандрасекаром (1,4 солнечной), например Сириуса, спутника Сириуса В, массой в 2,3 солнечной. Если Чандрасекар был прав, такая звезда никогда не сможет умереть спокойной смертью, подобной той, что ожидает Солнце. Когда излучение, постоянно испускаемое звездой в пространство, унесет достаточно тепла, и звезда начала остывать, тепловое давление понизится, и гравитационное силы будут уменьшать и уменьшать ее

размеры. Но для такой тяжелой звезды, как Сириус, сжатие не может быть остановлено вырожденным давлением. Это становится понятным из рис. 4.4, на котором заштрихованная область не поднимается достаточно высоко, чтобы помешать предначертанному пути сжатия Сириуса. Эддингтон находил это предсказание неприемлемым.

«Звезда будет продолжать излучать, сжимаясь и сжимаясь, — сообщал Эддингтон аудитории, — пока, как я полагаю, она не уменьшится до размера в несколько километров, когда гравитация станет столь сильной, что будет удерживать излучение, и звезда, наконец, упокоится с миром». (Говоря словами 1990-х годов, она должна стать черной дырой.) «Доктор Чандрасекар ранее получил этот результат, однако в своей последней статье он сгладил проблему. Обсуждая ее с ним, я пришел к заключению, что это почти reductio ad absurdum[40] формулы релятивистского вырождения. Разные случайности могут вмешаться и спасти звезду, но я хочу лучшей защиты. Думаю, должен существовать закон природы, не позволяющий звездам вести себя столь абсурдным образом!»

Затем Эддингтон оспорил математические доказательства Чандрасекара, заявив, что им нельзя доверять, поскольку они основываются на неадекватно сделанном соединении специальной теории относительности и квантовой механики. «Я не считаю, что плод этого союза рожден в законном браке», — сказал Эддингтон. «Я почувствую удовлетворение лишь тогда (при условии правильного соединения), когда релятивистские поправки скомпенсируются так, что мы вернемся к “обычной” формуле» (т. е. к сопротивлению 5/3, которое позволило бы существовать белым карликам произвольной массы и тем самым позволило бы давлению прекратить сжатие Сириуса на гипотетической пунктирной кривой рис. 4.4). Затем Эддингтон обрисовал, как необходимо, по его разумению, проделать соединение квантовой теории и специальной теории относительности, совсем не так, как это сделали Чандрасекар, Стоунер и Андерсон: подобное соединение спасло бы все звезды от судьбы черной дыры.

Чандрасекар был шокирован. Он никак не ожидал такой атаки на свою работу. Почему Эддингтон не обсудил все это с ним заранее? Что же касается аргументов Эддингтона, они показались Чандрасекару подозрительными, почти наверняка неверными.

В то время Эддингтон считался великим человеком в британской астрономии. Его открытия были почти легендарными. Во многом благодаря ему астрономы пришли к пониманию обычных звезд, таких, как Солнце и Сириус: их строения, атмосферы и света, который

- ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И СКЛАДКИ ВРЕМЕНИ

они излучают. Поэтому, естественно, члены Общества, как и астрономы всего мира, внимали ему с великим уважением. Естественно, раз Эддингтон думал, что анализ Чандрасекара неверен, он должен был быть неверным.

После заседания к Чандрасекару один за другим подходили члены Общества с выражением сочувствия. «Я печенкой чувствую, что Эддингтон прав», — заявил ему Милн.

***

На следующий же день Чандрасекар обратился за поддержкой к своим друзьям физикам. Вот что он писал Леону Розенфельду в Копенгаген: «Если Эддингтон прав, то вся моя четырехмесячная работа идет в корзину. Но прав ли Эддингтон? Я очень хотел бы узнать мнение Бора.» (Нильс Бор был одним из отцов квантовой механики и самым уважаемым физиком в 30-х годах.) Розенфельд ответил спустя два дня, уверив, что и он, и Бор убеждены, что Эддингтон ошибается и прав Чандрасекар. «Могу только сказать, что твое письмо меня удивило, — писал он, — поскольку никто и никогда не думал оспаривать уравнения [которые Чандрасекар использовал для получения сопротивления 4/3], замечание Эддингтона, приведенное в твоем письме, выглядит крайне непонятным. Думаю, тебе следует приободриться и не позволять запугать [ sic ] себя верховным жрецам». В следующем письме, отправленном в тот же день, Розенфельд писал: «Мы с Бором абсолютно не в состоянии разглядеть какой-либо смысл в утверждениях Эддингтона».

Однако для астрономов суть дела сначала не была столь прозрачной. Они не были искусны в тонкостях квантовой механики и теории относительности, и среди них авторитет Эддингтона удерживал господство еще несколько лет. Но и позже Эддингтон продолжал упорно держать оборону. Он был настолько ослеплен своим неприятием черных дыр, что утратил здравый смысл. Он так хотел, чтобы «существовал закон природы, не позволяющий звездам вести себя столь абсурдным образом», что вплоть до самой смерти в 1944 г. продолжал верить в то, что такой закон действительно есть, хотя фактически такого закона не существовало.

К концу 30-х годов астрономы, объяснившись с коллегами-физиками, поняли ошибку Эддингтона, но уважение к его огромным прежним достижениям не позволяло заявлять об этом публично. В 1939 г. в Париже в своем выступлении на астрономической конференции Эддингтон вновь атаковал выводы Чандрасекара. Как только Эддингтон начал нападать на него, Чандрасекар послал председательствовавшему Генри Норрису Расселу (знаменитому астроному из Принстонского университета в Америке) записку, в которой просил позволить ему выступить. В ответной записке Рассел написал: «Я бы не хотел, чтобы вы делали это», хотя ранее в тот же день в частной беседе сказал: «Здесь мы не верим Эддингтону».

Полностью приняв, наконец (хотя и за спиной Эддингтона), предельную массу белых карликов, полученную Чандрасекаром, были ли они готовы допустить, что во Вселенной должны существовать черные дыры? Вовсе нет. Если природа не противопоставила им закона типа того, который искал Эддингтон, она, конечно же, найдет другой выход. Так, возможно, каждая массивная звезда в процессе старения или в предсмертной агонии извергает в межзвездное пространство достаточно вещества, чтобы уменьшить свою массу до 1,4 солнечной и, тем самым, войти в более безопасную «могилу» белого карлика. Это была точка зрения, на которую встало большинство астрономов после поражения Эддингтона, и придерживались они ее в течение 40-х и 50-х годов, а многие — и в начале 60-х.

Что касается Чандрасекара, его больно ранил весь этот спор с Эддингтоном. Как он вспоминал много лет спустя: «Я чувствовал, что все астрономы без исключения думали, что я не прав. Они считали меня кем-то вроде Дон Кихота, пытающегося убить Эддингтона. Можете себе представить, каким обескураживающим опытом это стало для меня — оказаться втянутым в спор с главной фигурой в астрономии, тогда как моя работа была полностью и окончательно дискредитирована астрономическим сообществом. Я должен был для себя решить, что делать дальше. Должен ли я посвятить всю оставшуюся жизнь этой борьбе? В то время я был в середине своего третьего десятилетия и планировал еще лет тридцать-сорок заниматься научной деятельностью, поэтому просто не думал, что было бы продуктивным постоянно отстаивать уже сделанное. Гораздо лучше было бы сменить область интересов и заняться чем-то другим».

Поэтому в 1939 г. он повернулся спиной к белым карликам и смерти звезд и не возвращался к ним четверть века (глава 7).

А что же Эддингтон? Почему он так сурово обошелся с Чандрасекаром? Эддингтону такое обращение могло вовсе и не казаться плохим. Резкие и бескомпромиссные интеллектуальные конфликты были его образом жизни. Такое обхождение с Чандрасекаром являлось даже в какой-то степени мерой уважения, знаком того, что он признает Чандрасекара членом астрономического сообщества. Фактически, начиная с первого столкновения в 1935 г. и до самой смерти в 1944 г., Эддингтон проявлял теплое личное расположение к Чандрасекару, и Чандрасекар, хотя и задетый спором, отвечал тем же.

 

 

СХЛОПЫВАНИЕ НЕИЗБЕЖНО

 

 

глава, в которой даже ядерные силы, казалось бы самые мощные из всех видов сил, не могут противостоять мощи гравитации

Цвикки

 

 

В 1930—1940-х годах многие коллеги Фрица Цвикки воспринимали его как паяца. Будущие поколения астрономов сочтут его гением.

«Когда я познакомился с Фрицем, он был всерьез убежден, что у него есть собственная дорога к абсолютному знанию, а все остальные ошибаются», — рассказывает Уильям Фоулер, бывший студентом Калтеха (Калифорнийского технологического института) в то время, когда там преподавал и вел свои исследования Цвикки. Джесси Гринштейн — коллега Цвикки по Калтеху с конца 40-х годов — вспоминает его как «самоуверенного гения... Без сомнения, ум его был довольно экстраординарный. Но наряду с этим он также был, хотя и не признавал этого, неотесан и несдержан. Когда он вел свой курс физики, самым главным для него было получить одобрение слушателей. Он принимал только тех, кто проникался его идеями... Он был очень одинок среди преподавателей-физиков Калтеха и не пользовался популярностью у администрации... Его публикации зачастую содержали яростные нападки на других людей».

Цвикки — коренастый человек, задиристый, всегда готовый к драке, — не колебался не только провозглашать свою дорогу к абсолютному знанию, но и навязывать открытия, к которым она вела. В каждой лекции, прочитанной в 1930-х годах, в каждой опубликованной статье он буквально трубил о своей концепции нейтронной звезды — концепции, которую он, Цвикки, создал, чтобы объяснить сущность

 

самых высокоэнергетических явлений, наблюдаемых астрономами: сверхновых и космических лучей. Для популяризации концепции нейтронных звезд он даже использовал эфир во время национального радиошоу. Но при ближайшем рассмотрении его статьи и лекции оказывались неубедительными, в них содержалось слишком мало доказательств его идей.

Ходили слухи, что Роберт Милликен (человек, превративший Калтех в один из сильнейших научных институтов), когда его во время этой шумной кампании спросили, почему он держит Цвикки в Калтехе, ответил, что вполне возможно, что некоторые из заумных идей Цвикки окажутся верны. Милликен, в отличие от многих других в научном сообществе, должно быть, видел признаки гениальной интуиции Цвикки, признанной только 35 лет спустя, когда астрономы-наблюдатели действительно обнаружат нейтронные звезды и проверят некоторые связанные с ними экстравагантные гипотезы Цвикки.

Среди предвидений Цвикки, более всего относящихся к теме этой книги, стоит упомянуть его подход к нейтронным звездам как к «трупам» обычных звезд. Как мы увидим в дальнейшем, нормальную звезду, слишком массивную, чтобы окончить жизнь белым карликом, может постичь смерть в виде нейтронной звезды. Если бы все массивные звезды

гибли таким образом, Вселенная была бы спасена от самых странных гипотетических звездных «трупов» — черных дыр. Если бы легкие звезды становились после смерти белыми карликами, а тяжелые превращались в нейтронные звезды, то у Природы не осталось бы возможности создать черные дыры. И тогда Эйнштейн и Эддингтон, как и большинство физиков и астрономов той эпохи, вздохнули бы с облегчением.

***

Цвикки в Калтех привлек Милликен, для того чтобы тот занялся теоретическими исследованиями квантово-механических свойств атомов в кристаллах. Однако в конце 20-х — начале 30-х годов Цвикки все больше стал погружаться в астрофизику. Да и трудно было не дать себя заворожить астрономической Вселенной, работая в Пасадине, месте, где располагается не только Калтех, но и обсерватория Маунт Вильсон, имеющая в своем распоряжении самый большой в мире телескоп-рефлектор с зеркалом диаметром 2,5 м.

В 1931 г. Цвикки сблизился с Вальтером Бааде, новичком, прибывшим в Маунт Вильсон после работы в Гамбурге и Геттингене, прекрасным астрономом-наблюдателем. Бааде и Цвикки имели общую культурную базу: Бааде был немец, Цвикки — швейцарец, и для обоих немецкий был родным языком. Они также испытывали взаимное уважение к блестящим способностям друг друга. Но этим общее между ними и ограничивалось. Темперамент Бааде отличался от темперамента Цвикки. Бааде был скрытен, горд, неконтактен, универсально образован и терпим к странностям коллег. Цвикки будет испытывать его терпение в течение ряда лет, пока во время второй мировой войны они окончательно не разойдутся. «Цвикки называл Бааде нацистом, которым тот не был, а Бааде заявлял, что боится, как бы Цвикки не убил его. Они стали слишком опасной парочкой, чтобы держать их в одной комнате», — вспоминала Джесси Гринштейн.

В 1932 и 1933 гг. в Пасадине часто видели Бааде и Цвикки, оживленно беседующими по-немецки о так называемых «новых» звездах, которые неожиданно вспыхивают и начинают светить в десятки тысяч раз ярче, чем до этого, а затем примерно за месяц медленно блекнут до нормального состояния. Бааде, имевший энциклопедические познания в астрономии, был знаком с экспериментальными свидетельствами того, что кроме «обычных» новых должны существовать и необычные, редкие, сверхъяркие новые. Поначалу астрономы не подозревали, что эти новые являются сверхъяркими, поскольку в телескоп они имели примерно ту же светимость, что и обычные новые. Однако

располагались они в своеобразных туманностях (светящихся облаках). Наблюдения, проведенные в Маунт Вильсон и других обсерваториях в 1920-х годах, начали убеждать астрономов, что эти туманности не просто облака газа в нашем Млечном Пути, как думали ранее, но представляют собой равноправные галактики — гигантские скопления, содержащие около 10¹² (т. е. триллионов) звезд и находящиеся далеко за пределами нашей Галактики. Отдельные наблюдаемые в этих галактиках новые звезды, будучи расположены много дальше, чем обычные новые нашей Галактики, должны быть существенно более яркими, чтобы при наблюдении с Земли иметь ту же светимость.

Бааде собрал все данные наблюдений, какие только смог найти в литературе относительно каждой из шести сверхъярких новых, наблюдавшихся астрономами с начала столетия. Эти данные он объединил со всей доступной ему информацией о расстоянии до галактик, в которых находились эти звезды, и соединив все это, вычислил, сколько света испускает сверхъяркая новая. Вывод оказался поразительным: во время вспышки такие новые были обычно в 10⁸ (т. е. в 100 миллионов) раз ярче, чем наше Солнце! (Сегодня мы знаем, во многом благодаря работам самого Бааде 1952 г., что оценка расстояния до галактик в 1930 г. была занижена примерно в 10 раз и что, соответственно, сверхъяркие звезды были почти в 10¹⁰ (10 миллиардов) раз ярче Солнца.[41])

Любитель крайностей, Цвикки был пленен этими сверхъяркими новыми. Именно Бааде и Цвикки, несчетное число раз обсуждая эти звезды, дали им имя сверхновые. Каждая сверхновая, как они (справедливо) полагали, образуется в результате взрыва обычной звезды. И этот взрыв, как они подозревали (на этот раз неверно), столь горяч, что гораздо больше энергии испускается в виде ультрафиолетового и рентгеновского излучения, чем в виде обычного света. Поскольку ультрафиолетовое и рентгеновское излучение не может проникать сквозь земную атмосферу, невозможно и измерить содержащуюся в нем энергию. Однако эту энергию можно оценить, исходя из наблюдаемого спектра и законов физики, управляющих горячим газом от взрывающейся сверхновой.

Объединив знания Бааде о наблюдениях новых звезд и понимание Цвикки законов теоретической физики, два друга пришли к заключению (неверному), что ультрафиолетовое и рентгеновское излучение сверхновых должно нести в 10 тысяч, а возможно, и в 10 миллионов раз,

 

больше энергии, чем видимый свет. Цвикки со своей любовью к крайностям настаивал именно на верхней оценке — 10 миллионов, и с энтузиазмом на нее ссылался.

Этот неверный коэффициент означал, что в течение нескольких дней максимальной яркости сверхновая испускает чудовищное количество энергии: Солнце за всю свою жизнь длиной в 10 миллиардов лет излучает в виде света и тепла примерно лишь в 100 раз больше. Это примерно такое количество энергии, которое можно было бы получить, превратив одну десятую часть массы Солнца в чистую энергию излучения! (Благодаря десятилетиям последующих наблюдений сверхновых, многие из которых были проведены самим Цвикки, теперь мы знаем, что оценка Бааде—Цвикки энергии сверхновых была не столь далека от истины. Однако их вычисления имели существенный недостаток: как теперь стало понятно, почти вся теряемая энергия уносится частицами, называемыми нейтрино, а не ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, как они полагали. Бааде и Цвикки получили верный ответ лишь благодаря счастливой случайности.)

Какова же природа огромной энергии сверхновой? Чтобы ответить на этот вопрос, Цвикки и изобрел нейтронную звезду.

Цвикки интересовался всеми разделами физики и астрономии, а также воображал себя философом. Он пытался объединить все явления, с которыми сталкивался, в нечто, впоследствии названное им «морфологической моделью». В 1932 г. самым популярным из всех направлений в физике и астрономии была ядерная физика, изучение

атомных ядер. Именно отсюда извлек Цвикки ключевую составляющую своей идеи нейтронных звезд — концепцию нейтрона.

***

Поскольку нейтрон будет играть в дальнейшем очень важную роль в этой главе, я слегка отвлекусь от Цвикки и от его нейтронных звезд, чтобы рассказать об открытии нейтрона и его связи со структурой атомов.

После того как в 1926 г. были сформулированы «новые» законы квантовой механики (глава 4), последующие пять лет физики провели в непрестанных исследованиях микромира. Они приоткрыли завесу тайны над атомами (Врезка 5.1) и над строением молекул металлов, кристаллов и вещества белых карликов, построенных из этих атомов. Затем в 1931 г. физики обратили внимание на внутреннее строение атома — его оболочку и ядро.

Природа атомного ядра оставалась большой загадкой. Большинство физиков думали, что оно сделано из горсти электронов и вдвое большего числа протонов, связанных неким, пока непонятным, способом. Однако у Эрнста Резерфорда из Кембриджа (Англия) была другая гипотеза: протоны и нейтроны. О существовании протонов было уже известно. Их несколько десятилетий исследовались в физических экспериментах, позволивших установить, что они почти в 2000 раз тяжелее электронов и несут положительный заряд. Нейтроны же известны не были.

Врезка 5.1

Внутренние структуры атомов

 

 

 

Атом состоит из электронного облака, окружающего массивное центральное ядро. Электронное облако имеет размер примерно равный 10 см (в миллион раз меньше диаметра человеческого волоса), а ядро еще в 100 000 раз меньше, примерно 10 см (см. рисунок внизу). Если

бы электронное облако увеличилось до размера Земли, то ядро стало бы размером с футбольное поле. Несмотря на крошечный размер, ядро в несколько тысяч раз тяжелее электронного облака.

Отрицательно заряженные электроны удерживаются в облаке притяжением положительного электрического заряда ядра и не падают на ядро по той же самой причине, по которой не охлопывается звезда — белый карлик: Закон квантовой механики, называемый принципом Паули, запрещает больше чем двум электронам занимать в одно и то же время одну и ту же область пространства (два могут, если имеют противоположные «спины» — деталь, игнорируемая в главе 4).

Поэтому электронные облака попарно объединены в ячейках пространства, называемых «орбиталями». Каждая пара электронов, протестуя против заключения ее в тесной ячейке, совершает беспорядочные быстрые «клаустрофобные» движения, так же как и электроны в белом карлике (глава 4). Эти движения приводят к «электронному давлению вырождения», которое противодействует электрическому притяжению ядра. Таким образом, атом можно считать похожим на крошечную звезду белый карлик, в которой электронному давлению вырождения, выталкивающему электроны наружу, противодействуют затягивающие их внутрь электрические, а не гравитационные силы.

На правой картинке внизу на предыдущей странице дан набросок описанной структуры атомного ядра — это крошечный кластер протонов и нейтронов, скрепляемый ядерной силой.

Резерфорду пришлось постулировать существование нейтронов, чтобы успешно объяснить ядро с помощью законов квантовой механики. Для подобного объяснения требовалось учесть три факта: 1) каждый нейтрон должен иметь примерно ту же массу, что и протон, но не иметь заряда; 2) каждое ядро должно содержать примерно одинаковое число протонов и нейтронов; 3) все нейтроны и протоны должны надежно удерживаться в крошечном ядре новым видом силы, не электрической и не гравитационной, но силой, естественно, названной ядерной. (Сейчас также употребляют термин «сильное взаимодействие».) Ответом на такое заключение со стороны нейтронов и протонов должно стать клаустрофобическое беспорядочное движение с огромной скоростью, вызывающее вырожденное давление, и это давление должно противостоять ядерной силе, поддерживая постоянный размер ядра порядка 10^-13 см.

В 1931 г. и в начале 1932 г. физики-экспериментаторы вступили в острое соперничество на поле проверки такого описания ядра. Методика проверки состояла в том, чтобы попытаться выбить из атомного ядра несколько постулированных Резерфордом нейтронов, бомбардируя ядро излучением высокой энергии. Соревнование было выиграно в феврале 1932 г. членом команды экспериментаторов группы самого Резерфорда Джеймсом Чедвиком. Бомбардировка, предпринятая Чедвиком, удалась, в изобилии возникли нейтроны, которые имели как раз постулированные Резерфордом свойства. Газеты раструбили об открытии по всему миру и, естественно, оно привлекло внимание Цвикки.

***

Нейтрон появился на сцене как раз в тот год, когда Бааде и Цвикки бились над пониманием сверхновых. Как показалось Цвикки, нейтрон — это как раз то, что им было нужно. Он полагал, что, возможно, ядро нормальной звезды с плотностью, скажем, 100 грамм на кубический сантиметр может схлопываться до тех пор, пока не достигнет такой же плотности, как в атомном ядре (10¹⁴ грамм на кубический сантиметр), и что, возможно, вещество такого сжатого звездного ядра превращается в «газ» нейтронов — в «нейтронную звезду», как назвал ее Цвикки. Если это действительно так, то как (на этот раз верно) рассчитал Цвикки, мощная гравитация спресованного звездного ядра будет стискивать его столь сильно, что уменьшится не только поперечник звезды, но и ее масса. Масса ядра звезды будет теперь на 10% меньше, чем до сжатия. Куда же уходят эти 10% массы ядра? Цвикки (снова верно; см. рис. 5.1 и Врезку 5.2) полагал, что в энергию взрыва.

Если масса сжатого звездного ядра составляет, как верил Цвикки, величину порядка массы Солнца, то 10% от нее, преобразованные в энергию взрыва, когда ядро становится нейтронной звездой, породят 10⁴⁶ Дж, что близко к величине энергии, требуемой, по мнению Цвикки, для существования сверхновой. Энергия взрыва должна нагревать внешние слои звезды до огромных температур, выбрасывая их в межзвездное пространство (рис. 5.1), и поэтому во время взрыва звезда со столь высокой температурой будет ярко светиться, так же, как и идентифицированные Бааде сверхновые.

Цвикки не знал, что может инициировать сжатие звездного ядра в нейтронную звезду, не знал также, как будет вести себя звезда в процессе сжатия, и потому не мог оценить, сколько времени оно будет продолжаться (медленное ли это опадание или быстрое схлопывание). (Когда, наконец, в 60-х годах процесс сжатия ядра был детально проанализирован, оказалось, что он представляет собой резкое схлопывание под действием гравитационных сил, заставляющих звезду размером, примерно равным размеру Земли, уменьшаться в окружности до 100 км менее чем за 10 с.) Кроме того, Цвикки точно не понимал, как именно энергия, высвобождающаяся в процессе сжатия

 

звезды, может породить взрыв сверхновой, и почему продукты взрыва должны так ярко вспыхивать на несколько дней, и оставаться достаточно яркими еще несколько месяцев, а не секунд, часов или лет. Он, однако, знал (или думал, что знает), что при образовании нейтронной звезды высвобождается достаточно энергии, и это было все, чего он хотел.

Врезка 5.2