Тихо Браге, обнаружив на небе новую звезду, обращает на нее внимание суеверных жителей.

 

Сразу же после того, как новая звезда достигла максимума блеска, яркость ее начинает спадать – сначала быстро, потом все медленнее, и через несколько лет звезда по яркости становится такой же, какой она была до вспышки.

Внезапное увеличение яркости звезды вызвано внезапным увеличением размеров звездных покровов, или оболочек. Ее наружные слои вместе с фотосферой, обращающим слоем и хромосферой раздуваются, как мыльный пузырь. Они несутся во все стороны от центра со скоростью сотен километров в секунду.

Итак, в момент максимума блеска звезда, вздувшаяся, как мыльный пузырь, сбрасывает с себя свои покровы. Эти покровы, удаляясь от звезды и расширяясь, становятся всё разреженнее и прозрачнее, и сквозь них проглядывает обнаженная звезда.

Последите за новой звездой через несколько лет после вспышки в большой телескоп. К этому времени ослабевшая в яркости, но расширившаяся оболочка новой звезды становится достаточно велика, чтобы ее можно было видеть непосредственно в телескоп даже на том огромном расстоянии, на каком мы от нее находимся. Такие туманные оболочки мы, действительно, видим теперь вокруг новых звезд, вспыхивавших в 1901 году (в Персее), в 1918 году (в Орле), в 1925 году (в Живописце), в 1934 году (в Геркулесе). Из года в год мы измеряем непрерывное увеличение их размеров.

Сначала такая туманность имеет вид крохотного пятнышка, потом пятнышко увеличивается и превращается в колечко, в центре которого видна слабенькая звездочка – бывшая «новая». Подсчеты показывают, что покровы, сброшенные звездой, весят в десять или сто тысяч раз меньше, чем Солнце, и состоят из водорода, гелия, азота, углерода, кислорода и других газов.

И видом, и химическим составом, и физическим состоянием газовые туманности, образованные новыми звездами, похожи на встречаемые кое‑где на небе маленькие туманности, неудачно названные когда‑то планетарными за их внешнее сходство с зеленоватыми слабо светящимися дисками планет Урана и Нептуна.

Почему новые звезды сбрасывают свои покрывала? Со всякой ли звездой это может случиться? Не может ли это случиться с Солнцем? Меняются ли физиономия и «нутро» звезды после сбрасывания покрывала?

Увы, увы, все эти вопросы упираются в незнание точного спектра новой звезды до ее вспышки. Ах, если бы мы знали заранее, какая из слабых звездочек вскоре вспыхнет как новая! Мы бы заранее сняли ее спектр; сфотографировать же «впрок», на всякий случай спектры сотен тысяч слабых звезд невозможно. Не зная же спектра новой звезды до вспышки, мы ничего не можем сказать и о ее физическом состоянии до катастрофы.

Все же есть данные, позволяющие сделать некоторые выводы. Оказывается, что и до и после вспышки многие новые звезды в небольших пределах неправильно меняют свою яркость. Солнце так себя не ведет. Есть звезды, названные автором этой книжки новоподобными. Он обратил внимание на тождественность их спектров до и после вспышки. Ничто не мешает предположить, что то же имеет место и для новых звезд. От них новоподобные звезды отличаются лишь меньшим масштабом явлений, которые в остальном совершенно такие же, как у новых звезд. Кроме того, у некоторых новоподобных звезд наблюдалось по две и даже по три вспышки, разделенные промежутком времени в несколько десятков лет. У них можно ожидать повторения вспышек примерно через три тысячи лет.

Повторение вспышек с такой частотой у некоторых звезд вполне может обеспечить наблюдаемую ежегодную частоту вспышек звезд в Галактике. Уже это, а также предполагаемый спектр новых звезд до вспышки (правильнее, пожалуй, было бы сказать – между вспышками), характеризующий их как очень горячие звезды, исключают возможность вспышки Солнца.

Вся совокупность наших сведений о новых и новоподобных звездах отрицает мысль, что причиной вспышек могут быть столкновения звезд друг с другом или падения планет на звезды. Первые если и бывают в Галактике, то слишком редко.

Причина вспышек новых и новоподобных звезд должна быть в них самих, и теория внутреннего строения звезд приводит к выводу, что при известных условиях в процессе развития звезды в ней может наступить состояние неустойчивости. Малейший перевес силы лучевого давления поведет тогда к срыву наружных слоев звезды.

Автор этой книжки полагает, что вспышки происходят у звезд с довольно высокой температурой и средней светимостью. В такое состояние приходит только небольшое число обычных звезд, а если и большинство, то в этой фазе своей эволюции они находятся сравнительно недолго. Эти звезды неустойчивы и время от времени сбрасывают свои внешние слои до тех пор, пока благодаря этому звезда не приобретет устойчивость окончательно. После каждой вспышки звезда несколько сжимается и, в конце концов, сжавшись и несколько охладившись, переходит в состояние белого карлика.

Это показывает, что вспыхивающие звезды резко отличаются от нашего Солнца: они гораздо горячее его и значительно более плотны. Таким образом, вспышки и выбрасывания газов происходят только у некоторого определенного класса звезд, к которому Солнце не принадлежит. Некоторые буржуазные ученые, выполняя заказ своих хозяев‑капиталистов, пытаются отвлечь внимание широких трудящихся масс от решения ими социальных вопросов угрозами, что наше Солнце якобы может вспыхнуть, как новая звезда. Советские ученые, как мы видим, опровергли эти измышления.

 

Самые загадочные из звезд

 

Если собрать лучших писателей‑фантастов и сказочников всего мира и предложить им выдумать что‑либо совершенно невероятное, то, наверное, ни один из них не придумает ничего более невероятного, чем то, что мы сейчас опишем. Но это не фантазия, не сказка, а быль, происходящая на наших глазах. Чудеса и «чудеса в решете» природа демонстрирует вокруг нас постоянно, мы являемся их свидетелями, но зачастую не понимаем или понимаем лишь гораздо позднее, какое чудо природы было перед нами. Читатели книг по астрономии, может быть, уже привыкли к кажущимся невероятными расстояниям в тысячи световых лет, к планетам, совершенно не похожим на Землю, к компаниям цветных Солнц, в тысячи раз более ярких, чем наше. Не только у них, но и у бывалых астрономов‑специалистов начинает кружиться голова, когда они задумываются над тем, о чем сейчас будет речь. Невероятность и в то же время достоверность этих явлений стали нам ясны всего лишь за несколько последних лет, но свидетелями их были многие люди с давних пор. Был их свидетелем и китайский летописец Мин Туань‑линь. 4 июля 1054 года он записал:

«В первый год периода Чи‑хо, в пятую Луну, в день Чи‑чу появилась звезда‑гостья к юго‑востоку от звезды Тиен‑Куан и исчезла более чем через год».

Собрат же Мин Туань‑линя записал:

«Она была видна днем, как Венера, лучи света исходили из нее во все стороны, и цвет ее был красновато‑белый. Так была видна она 23 дня».

Подобные же скупые записи сделали японские летописцы и арабские очевидцы. Их разыскал и прочитал в 1942 году голландский ориенталист Дайвендак.

Немало подобных записей, хотя и не о столь ярких звездах‑гостьях, то есть, по‑видимому, о новых звездах, найдено в старых летописях. Но вот почти, через тысячу лет после смерти Мин Туан‑линя астрономы изучили подробно необычайную туманность, видимую в телескоп к юго‑востоку от китайской звезды Тиен‑Куан. Мы называем ее Дзетой Тельца, а туманность за ее своеобразную форму наблюдатели прозвали крабовидной. Как краб туманных очертаний, мерцает свет этого слабого пятнышка, и в его центре на фотографиях видны две звездочки шестнадцатой звездной величины, то есть в 10 тысяч раз более слабые, чем звезды, едва видимые невооруженным глазом в темную, безлунную ночь.

От всех других туманных пятен, десятками тысяч видимых на небе, крабовидную туманность отличают две особенности. Во‑первых, сравнение фотографий ее, сделанных с промежутком времени в 30 лет, позволило в 1942 году подтвердить обнаруженный ранее факт: туманность заметно расширяется во все стороны от своего центра, занятого двумя звездочками. Во‑вторых, вид спектральных линий показывает, что туманность расширяется со скоростью 1300 км/сек, т. е. раз в сто большей, чем у других газовых туманностей, также обнаруживающих расширение.

Сопоставляя видимую угловую скорость расширения туманности с его линейной скоростью, определенной по спектру, мы узнаем расстояние до туманности (4100 световых лет), а отсюда и светимость двух звездочек в ее центре (она та же, что у Солнца). Туманность огромна, свет от одного ее края до другого идет шесть лет, тогда как диаметр орбиты Плутона в солнечной системе он пересекает за одиннадцать часов.

Зная скорость видимого углового расширения туманности, можно подсчитать, когда же все ее вещество было сосредоточено в одном месте – там, в центре, где видны две звездочки. И что же оказывается? Это было около восьмисот лет назад, т. е. примерно в то время, когда китайские летописцы видели вблизи этого же места свою «звезду‑гостью».

Может ли это быть простым совпадением? Может ли быть, чтобы такая исключительная туманность случайно возникла в то время и в том месте, где сияла исключительная новая звезда? Последние сомнения отпали бы, если бы место звезды на небе китайцы определили с современной точностью и если бы момент начала расширения туманности мы теперь могли установить с точностью до года.

Не оставила ли вместо себя после вспышки эта звезда крабовидную туманность и одну из слабых звездочек, видимых сейчас в ее центре? Для создания такой колоссальной туманности, массу которой оценивают в 15 солнечных масс, должна была произойти катастрофа, по своей грандиозности далеко превышающая те, которые бывают у обычных новых звезд.

По этому поводу предоставим слово наблюдателям из совсем другой области – наблюдателям далеких звездных систем, лежащих на расстоянии миллионов световых лет от нашей звездной системы. За последнее десятилетие определенно установлено, что в них, в среднем раз за 300–400 лет в каждой, вспыхивают звезды, названные сверхновыми. Несколько ночей наблюдения над ними говорят о более невероятном, чем 1001 ночь Шехерезады.

Внезапно появившаяся в какой‑нибудь звездной системе сверхновая звезда в своем наибольшем блеске светит так же, как все остальные звезды этой системы, вместе взятые, а иногда даже и затмевает их своим блеском. Иначе говоря, в течение нескольких дней сверхновая звезда светит так же, как сто миллионов солнц. Сто миллионов солнц, как бы слитые в одной звезде, в одном солнце! Вот какие бывают сверхновые, или, если хотите, сверхзвезды, сверхсолнца!

Перед ними меркнут все известные нам звезды, названные гигантами и сверхгигантами. Сверхновые звезды ярче обычных новых звезд примерно настолько же, насколько обычные новые бывают ярче звезд, наиболее часто встречающихся во вселенной. Как все это ни невероятно, но это – наблюдаемый факт, а с фактами, как известно, не спорят.

Спектр сверхновых звезд в наибольшем блеске не содержит заметных линий – ни темных, ни ярких. Последние потом появляются; они необычайной ширины, свидетельствующей о выбросе газов со скоростью около 6000 км/сек, но какие это газы, пока не совсем ясно.

«Сверхновая сверхзвезда, из чего ты возникла и во что ты превращаешься, когда угасаешь?» задаем вопрос мы, но ответа не имеем. Если таким блеском могут засверкать солнца, подобные нашему, или если в звезды., подобные Солнцу, превращается сверхновая звезда, бывшая раньше чем‑то другим, то увидеть их пока что невозможно: звездные системы, в которых наблюдаются вспышки сверхновых звезд, слишком далеки от нас, чтобы современными средствами наблюдения можно было обнаружить в них звезду типа Солнца. Солнце, если бы оно находилось даже в ближайшей к нам другой звездной системе, светилось бы в несколько сот раз слабее, чем самые слабые звезды, различимые в ней в настоящее время. Из наблюдения сверхновых звезд в других звездных системах, в чудовищной дали, их прошлое и будущее установить нельзя. Надо, чтобы сверхновая вспыхнула к нам поближе. К сожалению, с тех пор как астрономы стали этим интересоваться, ни одного такого случая не было. Однако, если допустить, что звезда‑гостья 1054 года была причиной возникновения крабовидной туманности и, следовательно, находилась на том же расстоянии от нас, то получается, что ее блеск был такой же, как у сверхновых звезд. Это была «наша собственная», «домашняя» сверхновая звезда.

В 1942 году исследовали спектры двух звезд, находящихся в крабовидной туманности. У одной из них спектр оказался примерно таким же, как у Солнца. Вероятно, она гораздо ближе к нам, чем туманность, и лишь случайно на нее проецируется. У другой же звезды в спектре никаких линий не заметно, но распределение энергии в нем указывает на очень высокую температуру. По яркости туманности в сравнении со звездочкой (первая из них ярче в 500 раз, так что туманность не может светиться отраженным от нее светом) можно оценить температуру звезды. Автор этой книжки оценил ее в 140 тысяч градусов. Минковский другим методом оценивает ее даже в 500 тысяч градусов. Так или иначе, это самая горячая из всех известных звезд, и, вероятно, она‑то и является тем, что осталось от недолговечной сверхзвезды. Если это действительно так, то можно притти к следующим выводам о ее физическом строении. Выводы эти кажутся прямо фантастическими, но они будут еще более фантастическими, если окажется, что бывшая сверхновая – не эта звездочка, а какая‑нибудь другая, еще более слабая и пока невидимая.

В наибольшем блеске сверхновая звезда должна быть сверхзвездой – не только сверхяркой, но и сверхгромадной. Она должна быть в тысячи раз больше Солнца по диаметру, размером во всю солнечную систему. После вспышки же, судя по ядру крабовидной туманности, она в 50 раз меньше Солнца, т. е. лишь вдвое больше Земли, и ее средняя плотность должна составлять около 300 000 г/см'.

Наперсток с веществом этой звезды будет весить 300 килограммов и потребует для перевозки грузовик; правда, дно грузовика от такого давления проломится.

Здесь кончается то, что можно вывести из наблюдений, так как если после вспышки от сверхновой осталось что‑либо подобное звезде (вся целиком звезда разрушиться не могла), то оно будет невидимо нам из‑за своей слабой яркости.

Пока же отметим, что крабовидная туманность особенно сильно излучает красные лучи, обязанные некоторым линиям спектра азота. Это заставило поискать подтверждения тому, что яркая новая звезда, наблюдавшаяся Кеплером в 1604 году в созвездии Змеедержца, тоже была сверхновой. Окрестности места, указанного Кеплером, в 1943 году были сфотографированы на пластинках, чувствительных к красным лучам, и на снимке обнаружилась невидимая ранее слабая туманность. Спектр ее оказался похожим на спектр крабовидной туманности, и центр ее совпал с местом вспышки новой звезды Кеплера. В центре туманности нет звезд ярче 18,5‑звездной величины.

По‑видимому, звезда Кеплера, а также новая звезда, бывшая ярче Венеры и наблюдавшаяся даже днем Тихо Браге в 1572 году в созвездии Кассиопеи, были тоже сверхновыми звездами, вспыхнувшими в нашей Галактике.

Изучение сверхновых звезд насчитывает всего лишь десяток лет. Вероятно, в скором времени природа сверхновых звезд, их загадочные возникновение и конец будут выяснены уже значительно лучше, чем теперь.

 

Чем живут звезды

 

«Мы едим, чтобы жить», говорит пословица. Усвоение пищи сообщает живым существам энергию, которую они и расходуют в движении. Всякая машина для работы требует, чтобы ее чем‑либо питали. Станки пожирают электроэнергию, электростанции пожирают уголь – окаменелые растения далекого прошлого; эти растения пожирали солнечное тепло и свет. Но что же пожирает само Солнце? За счет чего звезды расходуют такие чудовищные количества энергии? Она должна пополняться, ибо в природе «вечного двигателя» нет и быть не может, чего, к сожалению, не знают до сих пор некоторые горе‑изобретатели.

Если бы Солнце состояло из лучшего донецкого угля и горело, то, получай оно для этого в достаточном количестве кислород, оно сгорело бы целиком примерно за 1500 лет.

Некогда существовало мнение, что энергия Солнца поддерживается падением на него метеоритов. Их энергия превращается при падении в теплоту, поддерживающую излучение Солнца. Такой способ питания помог бы Солнцу не больше, чем нам, если бы мы вздумали вскипятить бочку воды, ставя на ее крышку горячие утюги.

Кроме того, метеоритов должно было бы сыпаться на Солнце невероятно много, и они так быстро увеличивали бы массу Солнца, что это было бы заметно.

Энергия должна в Солнце поступать изнутри к поверхности, как это показывают нам теперь все данные о природе Солнца.

Энергия Солнца могла бы пополняться за счет его сжатия, уменьшения в размерах. При этом энергия тяготения к центру переходила бы в энергию тепловую. Вычислено, что если бы даже Солнце было некогда бесконечно большим, то и в этом случае его сжатия до современного размера хватило бы на поддержание его энергии всего лишь в течение 20 миллионов лет. Между тем доказано, что земная кора существует и освещается Солнцем гораздо дольше. Сжатие может иметь и наверное имеет место, но не оно служит главным источником солнечной энергии.

Не состоят ли недра звезд из радиоактивных элементов, таких, как торий, уран и радий? Распадаясь, эти элементы выделяют теплоту. Если бы Солнце целиком состояло из радия (а надо сказать, что на Земле его всего‑навсего добыто в чистом виде из горных пород пока еще только несколько граммов), то оно излучало бы больше энергии, чем действительное Солнце. Но при большой начальной расточительности, неизбежной при радиоактивном распаде, интенсивность его излучения спадала бы слишком быстро. Радий не мог бы поддерживать наше Солнце так долго, как это необходимо. Допустить же существование тяжелых, сверхрадиоактивных элементов (неизвестных на Земле), да еще сгустившихся в недрах Солнца, современная физика и теория внутреннего строения звезд не позволяют.

На наше счастье, физика атомного ядра, возникшая всего лишь лет десять назад, указала нам источник звездной энергии, согласующийся хорошо с данными теоретической астрофизики и, в частности, с выводом о том, что большую часть массы звезд составляет водород.

Слышали ли вы о том, что водород горит? Да, водород в звездах сгорает и дает им нужное питание, но это совсем не то горение, то есть не соединение с кислородом, которое известно из простого опыта.

Горение – это химический процесс, то есть перетасовка атомов между молекулами. Но энергии химических реакций недостаточно для поддержания солнечного тепла. С другой стороны, при чудовищном жаре в недрах звезд существование молекул невозможно, они там распадаются. Там возможны только перетасовки тех составных частей, из которых образованы сложные системы, называемые ядрами атомов, когда‑то считавшихся неделимыми. При температурах в миллионы градусов происходит распад не только атомов, но и их ядер и перетасовка продуктов распада, отчего образуются новые химические атомы с иными химическими свойствами. Такие перетасовки называются ядерными реакциями. Физика ядерных реакций установила, что источником энергии в звездах, в том числе и в Солнце, является непрерывное образование атомов гелия за счет атомов водорода.

Известно, что атом гелия весит приблизительно в четыре раза больше, чем атом водорода. Однако мы не получим атом гелия, сложив попросту четыре атома водорода. Прежде чем материал четырех водородных атомов создаст атом гелия, должен произойти целый ряд чудесных превращений, напоминающих сказочные превращения оборотней, и непременными помощниками и толкачами в этих превращениях оказываются атомы углерода. Но такие превращения не проходят безнаказанно: при этом выделяется и теряется энергия, а она имеет массу. Оттого‑то масса атома гелия получается несколько меньше массы четырех атомов водорода. Так работает фабрика гелия в недрах гигантских звезд.

 

Межзвездный газ

 

Газ, всюду газ! Собранный в гигантские раскаленные шары, он образует бесчисленные звезды; в них сосредоточена главная масса вещества в нашей вселенной. Разреженный, холодный газ, заполняющий огромные пространства в виде газовых туманностей, обволакивающий десятки звезд, газ, образующий атмосферы планет! И все это в безвоздушном пространстве. Подлинно ли в безвоздушном?

Наши понятия о вакууме, о безвоздушном пространстве относительны. В электрической лампочке «нет воздуха», говорим мы, он оттуда выкачан. Сравнительно с комнатным воздухом там – вакуум. Но физик с помощью своих лучших насосов может так выкачать воздух из какой‑либо стеклянной трубки, что по сравнению с ним пространство внутри электрической лампы кишит мириадами молекул.

Газовые диффузные туманности с их плотностью, меньшей чем одна миллиардная от миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре, раскинулись в безвоздушном пространстве. Но и оно, как мы убеждаемся, не совершенно пусто, в нем тоже есть газ. Газ ничтожной плотности, но все же газ, и между любыми двумя звездами есть газовая среда, какой бы ничтожной плотности она ни была.

Пока свойства атомов не были хорошо изучены физиками, исключительное или, по крайней мере, преобладающее нахождение именно кальция между звездами вызывало недоумение. Потом выяснилось, что ионизированный кальций поглощает свет главным образом в тех двух своих линиях, которые находятся в легко наблюдаемой части спектра. Атомы других элементов поглощают свет либо в очень многих линиях, как, например, железо, либо в такой области спектра (ультрафиолетовой), которая недоступна для изучения из‑за ее полного поглощения в нашей атмосфере. Поэтому‑то линии других межзвездных атомов, если они есть, либо вообще не могут быть обнаружены, либо они менее заметны, потому что их общее поглощение разбивается на много разных поглощений – в каждой линии понемногу. Поэтому нет оснований считать ионизированный кальций единственным или преобладающим газом в межзвездных недрах, он только заявляет о своем присутствии крикливее других.

Можно все же попытаться найти и другие межзвездные газы, хотя бы слабые следы их. «Кто ищет, тот всегда найдет!» И действительно, после специальных поисков в спектрах звезд был найден межзвездный натрий, а в самые последние годы обнаружили еще титан, калий и даже железо. Кроме того, перед самой войной были найдены еще межзвездные молекулы углеводорода СН, циана CN, а также некоторые линии неизвестного еще пока происхождения. Общая плотность поглощающего межзвездного газа в несколько тысяч раз меньше плотности излучающих свет газовых туманностей. Полная же плотность межзвездного газа значительно больше и составляет не менее одной миллионной от миллиардной части одной миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре. Если бы этот газ состоял из одного лишь водорода, то при такой плотности в 1 кубическом сантиметре содержалось бы только по одному атому, тогда как в таком же объеме комнатного воздуха их содержится 10 миллиардов миллиардов!

В действительности дело почти так и обстоит, так как водород на самом деле является главной составной частью межзвездного газа. Следующее за ним место занимает натрий, но на водород приходится 90 % всей межзвездной среды, включая космическую пыль и метеориты. На долю последних приходится, как оказывается, ничтожная доля массы всей межзвездной среды, и больше всего в них весит самый легкий из газов.

Светлые туманности, то тут, то там видимые среди звезд и состоящие из газов, также светятся благодаря воздействию со стороны звезд, но в данном случае мы наблюдаем процесс так называемой флюоресценции. Для того чтобы газовая туманность светилась, необходимо, чтобы ее освещали очень горячие звезды. Среди таких газовых туманностей, свечение которых вызывается находящейся в них хотя бы слабой, но чрезвычайно горячей звездой, существуют так называемые планетарные туманности, имеющие вид небольшого правильного шаровидного облачка.

Ленинградские астрономы В. А. Амбарцумиан и В. В. Соболев разработали теорию переноса энергии, испускаемой звездой внутри подобной туманности. Кроме того, они теоретически обосновали явление постепенного расширения шаровидного облачка туманности под действием давления света. Их теории лежат в основе всех современных теоретических исследований такого рода образований.

 

Планетарная газовая туманность.

 

Расстояния до таких планетарных туманностей долгое время представляли полную загадку. Нам удалось найти метод определения этого расстояния, что позволило также установить размеры туманностей и истинную силу света звезд, вызывающих их свечение. Оказалось, что звезды, вызывающие свечение планетарных туманностей, имеют примерно такую же силу света, как Солнце, но нагреты они гораздо сильнее. Их температура составляет от 30 до 140 тысяч градусов. Размеры таких туманностей колеблются от размеров, в сотни раз превосходящих расстояние от Земли до Солнца, до размеров, превосходящих это расстояние в десятки тысяч раз.