Когда звезды совсем погаснут?
Сколько времени нужно звездам, чтобы остыть после того, как они исчерпают свое ядерное топливо? Когда появятся какие-нибудь «черные» карлики? Существуют ли они сегодня? Эти вопросы хотя бы раз в жизни приходят в голову каждому человеку. Давайте начнем с разговора о жизни звезд и пройдем весь путь от их рождения к смерти.
Когда облако молекулярного газа коллапсирует под действием собственной силы тяжести, всегда есть несколько регионов, которые начинают с чуть большей плотности, чем другие. Каждая точка в этой материи изо всех сил пытается притянуть больше другой материи к себе, но эти регионы сверхплотности притягивают материю чуть эффективней других.
Поскольку гравитационный коллапс - это протекающий процесс, чем больше материи вы привлекаете, тем быстрее дополнительная материя стремится к вам. Хотя могут потребоваться миллионы или даже десятки миллионов лет, чтобы молекулярное облако перешло от большого диффузного состояния в относительно сжатое, процесс перехода от состояния плотно сжатого газа к новому скоплению звезд - когда в самых плотных регионах начинается ядерный синтез - занимает всего несколько сотен тысяч лет.
При создании нового скопления (кластера) звезд, проще всего заметить сначала самые яркие, они же более массивные. Эти яркие, голубые, горячие звезды в сотни раз превышают Солнце по массе и в миллионы - по светимости. Но несмотря на то, что эти звезды впечатляют пуще остальных, их также очень мало, меньше 1% от всех известных полноценных звезд, и живут они тоже недолго, так как их ядерное топливо выгорает за 1-2 миллиона лет.
Когда у этих ярчайших звезд заканчивается топливо, они умирают в красочном взрыве сверхновой II типа. Когда это происходит, внутреннее ядро взрывается, коллапсирует до нейтронной звезды (для ядер с низкой массой) или даже до черной дыры (для ядер высокой массы), в то время как внешние слои выходят обратно в межзвездную среду. Там эти газы будут вносить свой вклад в будущие поколения звезд, предоставляя им тяжелые элементы, необходимые для создания твердотельных планет, органических молекул и, в редких случаях, жизни.
Черные дыры по определению сразу становятся черными. В отличие от аккреционного диска, их окружающего, и чрезвычайно низкотемпературного излучения Хокинга, вытекающего с горизонта событий, черные дыры практически сразу после коллапса ядра становятся сущей тьмой.
А вот с нейтронными звездами другая история.
Видите ли, нейтронная звезда забирает всю энергию в ядре звезды и коллапсирует чрезвычайно быстро. Когда вы что-то берете и быстро это сжимаете, вы вызываете внезапный рост температуры: так работает поршень дизельного двигателя. Коллапс звездного ядра до нейтронной звезды может быть самым мощным примером быстрого сжатия. За секунды-минуты ядро из железа, никеля, кобальта, кремния и серы на много сотен или тысяч километров в диаметре коллапсирует до шарика диаметром порядка 16 километров. Его плотность вырастает в квадриллион раз (10^15), температура тоже существенно повышается: до 10^12 градусов у ядра и до 10^6 градусов на поверхности.
И вот в чем проблема.
Когда вся эта энергия заключена в коллапсирующей звезде вроде этой, ее поверхность становится настолько горячей, что светится только голубовато-белым цветом в видимой части спектра, однако большую часть ее энергии не видно даже в ультрафиолете: это рентгеновская энергия. В этом объекте хранится чрезвычайно много энергии, но единственный способ выпустить ее во Вселенной - через поверхность, а площадь поверхности мала.
Большой вопрос, конечно, в том, как долго понадобится нейтронной звезде, чтобы остыть. Ответ зависит от аспекта физики, который плохо понятен в случае нейтронных звезд: нейтринное охлаждение. Видите ли, хотя фотоны (излучение) обычно улавливаются нормальной барионной материей, нейтрино при генерации могут проходить через всю нейтронную звезду нетронутыми. В лучшем случае нейтронные звезды могут остыть через 10^16 лет, что «всего» в миллионы раз больше возраста Вселенной. В худшем случае потребуется от 10^20 до 10^22 лет, а значит, придется подождать.
Есть и другие звезды, которые погаснут быстрее.
Видите ли, подавляющее большинство звезд - оставшиеся 99% - не становятся сверхновыми, а в процессе своей жизни медленно усыхают до белых карликовых звезд. «Медленно» в нашем случае - это только по сравнению со сверхновыми: потребуются десятки или тысячи лет, а не секунды-минуты, но это достаточно быстро, чтобы уловить почти все тепло звезды в ядре. Разница в том, что вместо того, чтобы улавливать ее в сфере диаметром 15 километров или около того, это тепло будет сосредоточено в объекте размером с Землю, в тысячу раз больше нейтронной звезды.
Это означает, что хотя температура таких белых карликов может быть очень высокой - более 20 000 градусов, в три раза горячее нашего Солнца - остывают они намного быстрее, чем нейтронные звезды.
В белых карликах нейтрино утекают незначительно, а это значит, что излучение с поверхности будет единственным важным эффектом. Когда мы рассчитываем, как быстро может улетучиться тепло, это приводит нас к срокам охлаждения белого карлика в 10^14 или 10^15 лет. После этого карлик остынет до температуры чуть выше абсолютного нуля.
Это означает, что через 10 триллионов нет (что в 1000 раз дольше времени существующей Вселенной) поверхность белого карлика остынет до температуры, которую уже будет не разглядеть в видимом световом режиме. И когда это время пройдет, во Вселенной появится совершенно новый тип объекта: черная карликовая звезда.
Так что пока во Вселенной черных карликов нет, она слишком молода для этого. Более того, самые холодные белые карлики, по нашим лучшим оценкам, потеряли меньше 0,2% от их полного тепла с момента создания. А для белого карлика температурой в 20 000 градусов это будет означать падение температуры до 19 960 градусов, то есть незначительное.
Забавно представлять нашу Вселенную, наполненную звездами, которые объединены галактиками, разделенными гигантскими расстояниями. К тому времени, когда появится первый черный карлик, наша местная группа сольется в одну галактику, большая часть звезд выгорит, останутся лишь маломассивные красные и тусклые звезды.
Кроме того, каждая другая галактика за пределами нашей собственной навсегда исчезнет из зоны нашей досягаемости, благодаря темной энергии. Шансы на появление жизни в нашей Вселенной будут уменьшаться, а трупики звезд будут выбрасываться из нашей галактики вследствие гравитационных взаимодействий быстрее, чем будут образовываться новые.
И все же среди этого всего родится новый объект, которого пока наша Вселенная не знала. Даже если мы никогда не увидим его, мы знаем, какова будет его природа, как и почему он появится. И это, уже само по себе, остается удивительной способностью науки.
