Чорні діри
Якщо маса зірки в два рази перевищує сонячну, то до кінця свого життя зірка може вибухнути як найновіша, але якщо маса речовини, що залишився після вибуху, все ще перевершує дві сонячні, то зірка повинна стиснутися в крихітне щільне тіло, тому що гравітаційні сили цілком придушують всяке внутрішній опір стисненню. Вчені вважають, що саме в цей момент катастрофічний гравітаційний колапс призводить до виникнення чорної діри. Вони вважають, що із закінченням термоядерних реакцій зірка вже не може перебувати в стійкому стані. Тоді для масивної зірки залишається один неминучий шлях - шлях загального і повного стиснення (колапсу), що перетворює її в невидиму чорну діру.
У 1939р. Р. Оппенгеймер і його аспірант Снайдер в Каліфорнійському університеті (Берклі) займалися з'ясуванням остаточної долі великої маси холодного речовини. Одним з найбільш вражаючих наслідків загальної теорії відносності Ейнштейна виявилося наступне: коли велика маса починає коллапсіровать, цей процес не може бути зупинений і маса стискається в чорну дірку. Якщо, наприклад, невращающаяся симетрична зірка починає стискатися до критичного розміру, відомого як гравітаційний радіус, або радіус Шварцшильда (названий так на честь Карла Шварцшильда, якої першим вказав на його існування). Якщо зірка досягає цього радіусу, то вже ніщо не може перешкодити їй завершити колапс, тобто буквально замкнутися в собі. Чому ж дорівнює гравітаційний радіус? Суворе математичне рівняння показує, що для тіла з масою Сонця гравітаційний радіус дорівнює майже 3 км, тоді як для системи, що включає мільярд зірок, - галактики - цей радіус виявляється рівним відстані від Сонця до орбіти планети Уран, тобто складає близько 3 млрд. км .
Які ж фізичні властивості «чорних дірок» і як вчені припускають виявити ці об'єкти? Багато вчених роздумували над цими питаннями; отримано деякі відповіді, які здатні допомогти в пошуках таких об'єктів.
Сама назва - чорні діри - говорить про те, що це клас об'єктів, які не можна побачити. Їх гравітаційне поле настільки сильно, що якби якимось шляхом вдалося опинитися поблизу чорної дірки і направити в бік від її поверхні промінь самого потужного прожектора, то побачити цей прожектор було б не можна навіть з відстані, що не перевищує відстань від Землі до Сонця. Дійсно, навіть якщо б ми змогли сконцентрувати весь світ Сонця в цьому потужному прожектори, ми не побачили б його, тому що світ не зміг би подолати вплив на нього гравітаційного поля чорної діри і залишити її поверхню. Саме тому така поверхня називається абсолютним горизонтом подій. Вона являє собою кордон чорної діри.
Вчені відзначають, що ці незвичайні об'єкти нелегко зрозуміти, залишаючись в рамках законів тяжіння Ньютона. Поблизу поверхні чорної діри гравітація настільки сильна, що звичні ньютонівські закони перестають діяти тут. Їх слід замінити законами загальної теорії відносності Ейнштейна. Відповідно до одного з трьох наслідків теорії Ейнштейна, залишаючи масивне тіло, світло повинен відчувати червоне зміщення, тому що він повинен відчувати червоне зміщення, тому що він втрачає енергію на подолання гравітаційного поля зірки. Випромінювання, що приходить від щільної зірки, подібної до білому карлику - супутника Сіріуса А, - лише злегка зміщується в червону область спектру. Чим щільніше зірка, тим більше це зміщення, так що від надщільний зірки зовсім не буде приходити випромінювання у видимій області спектра. Але якщо гравітаційне дію зірки збільшується в результаті її стиснення, то сили тяжіння виявляються настільки великі, що світло взагалі не може покинути зірку. Таким чином, для будь-якого спостерігача можливість побачити чорну дірку повністю виключена! Але тоді, природно, виникає запитання: якщо вона невидима, то як же ми можемо її виявити? Щоб відповісти на це запитання, вчені вдаються до майстерним хитрощів. Руффіні і Уїллер досконально вивчили цю проблему і запропонували кілька способів нехай не побачити, але хоча б знайти чорну діру. Почнемо з того, що, коли чорна діра народжується в процесі гравітаційного колапсу, вона повинна випромінювати гравітаційні хвилі, які могли б перетинати простір зі швидкістю світла і на короткий час спотворювати геометрію простору поблизу Землі. Це спотворення виявилося б у вигляді гравітаційних хвиль, що діють одночасно на однакові інструменти, встановлені на земній поверхні на значних відстанях один від одного. Гравітаційне випромінювання могло б приходити від зірок, що зазнають гравітаційний колапс. Якщо протягом звичайного життя зірка оберталася, то, стискуючись і стаючи все менше і менше, вона буде обертатися все швидше зберігаючи свій момент кількості руху. Нарешті вона може досягти такої стадії, коли швидкість руху на її екваторі наблизиться до швидкості світла, тобто до гранично можливої швидкості. У цьому разі зірка виявилася б сильно деформованої і могла б викинути частина речовини. При такій деформації енергія могла б йти від зірки у вигляді гравітаційних хвиль із частотою близько тисячі коливань у секунду (1000 Гц).
Дж. Вебер встановив пастки гравітаційних хвиль в Аргоннської національної лабораторії поблизу Чикаго і в Мерілендського університету. Вони складалися з масивних алюмінієвих циліндрів, які повинні були вагатися, коли гравітаційні хвилі досягнуть Землі. Використовувані Вебером детектори гравітаційного випромінювання реагують на високі (1660 Гц), так і на дуже низькі (1 коливання на годину) частоти. Для детектування останньої частоти використовується чутливий гравіметрія, а детектором є сама Земля. Власна частота коливань квадрупольні Землі дорівнює одному коливання за 54 хв.
Всі ці пристрої повинні були спрацьовувати одночасно в момент, коли гравітаційні хвилі досягнуть Землі. Дійсно вони спрацьовували одночасно. Але на жаль, пастки включалися занадто часто - приблизно раз на місяць, що виглядало дуже дивно. Деякі вчені вважають, що хоча досліди Вебера і отримані ним результати цікаві, але вони недостатньо надійні. З цієї причини багато хто ставиться досить скептично до ідеї детектування гравітаційних хвиль (експерименти по детектування гравітаційних хвиль, аналогічні дослідів Вебера, пізніше були перевірені в ряді інших лабораторій і не підтвердили результатів Вебера. В даний час вважається, що досліди Вебера помилкові).
Роджер Пенроуз, професор математики Біркбекского коледжу Лондонського університету, розглянув цікавий випадок колапсу і освіти чорної діри. Він також допускає, що чорна діра зникає, а потім виявляється в інший час у якийсь інший всесвіту. Крім того, він стверджує, що народження чорної дірки під час гравітаційного колапсу є важливим вказівкою на те, що з геометрією простору-часу відбувається щось незвичайне. Дослідження Пенроуза показують, що колапс закінчується утворенням сингулярності, тобто він повинен тривати до нульових розмірів і нескінченної щільності об'єкта. Останні умова дає можливість іншого всесвіту наблизитись до нашої сингулярності, і не виключено, що сингулярність перейде в цю нову всесвіт. Вона навіть може з'явитися в будь-якому іншому місці нашої власної Всесвіту.
Деякі вчені розглядають освіта чорної дірки як маленьку модель того, що, згідно прогнозам загальної теорії відносності, в кінцевому рахунку може трапитися зі Всесвітом. Загальновизнано, що ми живемо в незмінно розширюється Всесвіту, і одна з найбільш важливих і насущних питань науки стосується природи Всесвіту, її минулого і майбутнього. Без сумніву, всі сучасні результати спостережень вказують на розширення Всесвіту. однак на сьогодні один із самих каверзних питань такий: сповільнюється чи швидкість цього розширення, і якщо так, то не стиснеться чи Всесвіт через десятки мільярдів років, утворюючи сингулярність. Мабуть, коли-небудь ми зможемо з'ясувати, яким шляхом слід Всесвіт, але, можливо, набагато раніше, вивчаючи інформацію, яка просочується при народженні чорних дір, і ті фізичні закони, які керують їх долею, ми зможемо передбачити остаточну долю Всесвіту.
Майже все своє життя зірка зберігає температуру і розмір практично постійними. Значення головної послідовності полягає в тому, що більшість звичайних зірок виявляються нормальними, тобто позбавленими будь-яких особливостей. Ми вправі очікувати, що ці зірки підкоряються певним залежностей, таким, наприклад, згаданої головної послідовності. Більшість зірок виявляються на цій похилій лінії - головної послідовності, тому, що зірка може прийти на цю лінію всього лише за кілька сотень тисяч років, а покинув її, прожити ще кілька сотень мільйонів років, більшість зірок свідомо залишається на головній послідовності протягом мільярдів років . Народження і смерть - мізерно малі мить в життя зірки. Наше Сонце, що є звичайною зіркою, знаходиться на цій послідовності вже протягом 5-6 млрд. років і, мабуть, проведе на ній ще стільки ж часу, тому що зірки з такою масою і таким хімічним складом, як у Сонця, живуть 10-12 млрд. років. Зірки багато меншої маси знаходяться на головній послідовності приблизно 50 млрд. років. Якщо ж маса зірки в 30 разів перевершує сонячну, то час її перебування на головній послідовності складе всього близько 1 млн. років.
Повернемося до розгляду процесів, що відбуваються при народженні зірки: вона продовжує скорочуватися, стиснення супроводжується зростанням температури. Температура повзе вгору, і ось величезний газовий куля починає світитися, його вже можна спостерігати на тлі темного нічного неба як тьмяний червонуватий диск. Значна частка енергії його випромінювання, як і раніше припадає на інфрачервону область спектру. Але це ще не зірка. У міру того як речовина протозірок ущільнюється, воно все швидше падає до центру, розігріваючи ядро зірки до все більш високих температур. Нарешті температура сягає 10 млн. К, і тоді починають протікати термоядерні реакції - джерело енергії всіх зірок у Всесвіті. Як тільки термоядерні процеси включаються в дію, космічне тіло перетворюється на повноцінну зірку.
Стискаючись, пил і газ утворюють протозірок; її речовина являє собою типовий зразок речовини навколишнього нас частини космічного простору. Говорячи про зразок речовини Всесвіту, ми маємо на увазі, що цей шматочок межзвезной середовища на 89% складається з водню, на 10%-з гелію; такі елементи, як кисень, азот, вуглець, неон і т. п. складають в ньому менше 1% , а всі метали, разом узяті, - не більше 0,25%. Таким чином, зірка в основному складається з тих елементів, які найчастіше зустрічаються у Всесвіті. І оскільки найбагатші у Всесвіті представлений водень, то, звичайно, будь-які термоядерні реакції повинні протікати з його участю.
Де-не-де зустрічаються куточки космічного простору з підвищеним вмістом важких елементів, але це лише місцеві аномалії - залишки давніх зоряних вибухів, розпорошений та поділений в околиці важкі елементи. Ми не будемо зупинятися на таких аномальних областях з підвищеною концентрацією важких елементів, а зосередимо увагу на зірках, що складаються в основному з водню.
Коли температура в центрі протозірок досягає 10 млн. К, починаються складні (але детально вивчені) термоядерні реакції, у ході яких з ядер водню (протонів) утворюються ядра гелію; кожні чотири протона, об'єднуючись, створюють атом гелію. Спочатку, коли з'єднуються один з одним два протона, виникає атом важкого водню, або дейтерію. Потім останній стикається з третього протоном, і в результаті реакції народжується легкий ізотоп гелію, що містить два протони і один нейтрон.
У сум'ятті, що панує в ядрі зірки, що швидко рухаються атоми легкого гелію іноді стикаються один з одним, в результаті чого з'являється атом звичайного гелію, що складається з двох протонів і двох нейтронів. Два зайвих протона повертаються назад в гарячу суміш, щоб коли-небудь знову вступити в реакцію, що породжує гелій. У цьому процесі близько 0,7% маси перетворюється на енергію. Описана ланцюжок реакцій - один з важливих термоядерних циклів, що протікають в ядрах зірок при температурі близько 10 млн. К. Деякі астрономи вважають, що при більш низьких температурах можуть протікати інші реакції, в яких беруть участь літій, берилій і бор. Але вони відразу ж застерігають, що якщо такі реакції і мають місце, то їх відносний внесок у генерацію енергії незначний.
Коли температура в надрах зірки знову збільшується, в дію вступає ще одна важлива реакція, в якій в якості каталізатора бере участь вуглець. Почавши із водню і вуглецю-12, така реакція призводить до утворення азоту-13, який спонтанно розпадається на вуглець-13 - ізотоп вуглецю, більш важкий, ніж той, з якого реакція начіналась.Углерод-13 захоплює ще один протон, перетворюючись на азот -14. Останній подібним же шляхом стає киснем-15. Цей елемент також нестійкий і в результаті спонтанного розпаду перетворюється на азот-15. І нарешті азот-15, приєднавши до себе четвертий протон, розпадається на вуглець-12 і гелій.
Таким чином, побічним продуктом цих термоядерних реакцій є вуглець-12, який може знову започаткувати реакцій даного типу. Об'єднання чотирьох протонів призводить до утворення одного атома гелію, а різниця в масі чотирьох протонів і одного атома гелію, що становить близько 0,7% від первісної маси, проявляється у вигляді енергії випромінювання зірки. На Сонце кожну секунду 564 млн. т водню перетворюється на 560 млн. т гелію, а різниця - 4 млн. т речовини - перетворюється на енергію і випромінюється в простір. Важливо, що механізм генерації енергії в зірку залежить від температури.
Саме температура ядра зірки визначає швидкість процесів. Астрономи вважають, що при температурі близько 13 млн. До вуглецевий цикл щодо неістотний. Отже, при такій температурі переважає протон-протонний цикл. При збільшенні температури до 16 млн. К, ймовірно, обидва циклу дають рівний внесок у процес генерації енергії. Коли ж температура ядра піднімається вище 20 млн. К, переважаючим стає вуглецевий цикл.
Як тільки енергія зірки починає забезпечуватися за рахунок ядерних реакцій, гравітаційне стиснення, з якої почався весь процес, припиняється. Тепер самопідтримується реакція може тривати протягом часу, тривалість якого залежить від початкової маси зірки і складає приблизно від 1 млн. років до 100 млрд. років і більше. Саме в цей період зірка досягає головної послідовності і починає своє довге життя, що протікає майже без змін. Цілу вічність проводить зірка в цій стадії. Нічого особливого з нею не відбувається, вона не привертає до себе пильну увагу. Тепер це всього-на-всього повноцінний член зоряної колонії, загублений серед безлічі побратимів.
Однак процеси, що протікають в ядрі зірки, несуть в собі зародки її майбутнього руйнування. Коли дерево чи вугілля згоряють у каміні, виділяється тепло, а в якості продуктів відходу утворюються дим і попіл. В "каміні" зоряного ядра водень - це вугілля, а гелій - зола. Якщо з каміна час від часу не видаляти золу, то вона може забити його і вогонь потухне.
Якщо в ядрі зірки речовина не перемішується, в термоядерних реакціях починають брати участь шари, що безпосередньо примикають до гелієвої ядра, що забезпечує зірку енергією. Проте з часом запаси водню в цих шарах вичерпуються і ядро розростається все більше і більше. Нарешті досягається стан, коли в ядрі зовсім не залишається водню. Звичайні реакції перетворення водню в гелій припиняються; зірка залишає головну послідовність і вступає в порівняно короткий (але цікавий) відрізок свого життєвого шляху, відзначений надзвичайно бурхливими реакціями.
Коли водню стає мало і він більше не може брати участь у реакціях, джерело енергії вичерпується. Але, як ми вже знаємо, зірка представляє собою тонко збалансований механізм, в якому тиск, що роздувають зірку зсередини, повністю урівноважене гравітаційним тяжінням. Отже, коли генерація енергії слабшає, тиск випромінювання різко падає і сили тяжіння починають стискати зорю. Знову відбувається падіння речовини до її центру, багато в чому нагадує те, з якого почалося народження протозірок. Енергія, що виникає при гравітаційне стиснення, набагато більше енергії, що виділяється тепер в ядерних реакціях, а раз так, то зірка починає швидко стискуватися. У результаті верхні шари зірки нагріваються, вона знову розширюється і росте в розмірах до тих пір, поки зовнішні шари не стануть достатньо розрідженими, краще пропускають випромінювання зірки. Вважають, що зірка типу Сонця може збільшитися настільки, що заповнить орбіту Меркурія. Після того як зірка починає розширюватися, вона залишає головну послідовність і, як ми вже бачили, дні її тепер полічені. З цього моменту життя зірки починає хилитися до заходу.
Коли зірка стискається, за рахунок роботи сил тяжіння виділяється величезна енергія, яка роздмухує зірку. Здавалося б, це повинно привести до падіння температури в ядрі. Але це не так. Проти очікування температура в ядрі зірки різко зростає. У відносно тонкому шарі навколо ядра все ще відбувається звичайне ядерне вигоряння водню, що призводить до збільшення вмісту гелію в ядрі. Коли в ядрі концентрується близько половини маси зірки, остання розширюється до свого максимального розміру і її колір з білого стає жовтим, а потім червоним, тому що температура поверхні зірки зменшується. Тепер зірка вступає в нову фазу. Температура ядра росте до тих пір, поки не перевищить 200 млн. К. При такій температурі починає вигорати гелій, в результаті чого утворюється вуглець. Три ядра гелію, зливаючись, перетворюються в ядро вуглецю, який виявляється більш легким, ніж три вихідних ядра гелію, тому така реакція також йде з виділенням енергії. Знову тиск радіації, яке відігравало таку важливу роль, коли зірка перебувала на головній послідовності, починає протидіяти тяжінню, і ядро зірки знову утримується від подальшого стиснення. Зірка повертається до звичайних розмірах; в міру того, як це відбувається, температура її поверхні росте і вона з червоної стає білою.
У цей момент за деякими загадкових причин зірка виявляється нестійкою. Астрономи вважають, що змінні зорі, то є зірки, періодично змінюють свою світність, виникають на цій стадії зоряної еволюції, тому що процес стиснення відбувається не гладко і на деяких його етапах виникають ритмічні коливання зірки. На цій стадії зірка може пройти через фазу нової, протягом якої вона раптово викидає в міжзоряний простір значна кількість речовини; воно, приймаючи вигляд розширюється оболонки, може містити значну частину маси зірки. Деяких Спалахи нових багаторазово повторюються, і це означає, що однією спалаху недостатньо, щоб зірка досягла стійкості. Але з часом вона набуває стійкість, коливання зникають, зірка починає свій довгий шлях до зоряного кладовища. Навіть на цій стадії зірка ще здатна до активності. Вона може стати наднової. Причина, по якій зірка виявляється здатною на таку активність, обумовлена кількістю речовини, що залишилися у неї до цієї стадії.
Коли ми обговорювали процеси, що протікають в надрах зірки, ми говорили, що основним продуктом ядерних реакцій є гелій. У міру того як переробляється все більше і більше водню, росте гелієвої ядро зірки. Водень зникає, отже, енерговиділення за рахунок цього джерела також припиняється. Але при температурі близько 200 млн. До відкривається ще один шлях, завдяки якому гелій породжує більш важкі елементи, і в цьому процесі виділяється енергія. Два атоми гелію з'єднуються, утворюючи атом берилію, який зазвичай знову розпадається на атоми гелію. Однак температури і швидкості реакцій настільки високі, що перед тим, як відбувається розпад берилію, до нього приєднується третій атом гелію і утворюється атом вуглецю.
Але процес не зупиняється, так як тепер атоми гелію, бомбардуючи вуглець, породжують кисень, бомбардуючи кисень, дають неон, а бомбардуючи неон, виробляють магній. На цій стадії температура ядра ще занадто низька для утворення більш важких елементів. Ядро знову стискається, і так продовжується до тих пір, поки температура не досягне величини порядку мільярди градусів і не почнеться синтез більш важких елементів. Якщо в результаті подальшого стискання ядра температура піднімається до 3 млрд. До, важкі ядра взаємодіють один з одним до тих пір, поки не утвориться залізо. Процес зупиняється. Якщо атоми гелію будуть бомбардувати ядра заліза, то замість утворення більш важких елементів відбудеться розпад ядер заліза.
На цій стадії життя зірки її ядро складається з заліза, оточеного шарами ядер більш легких елементів аж до гелію, а зовнішній тонкий шар утворений воднем, який ще забезпечує деяку кількість енергії. Нарешті настає час, коли водень виявляється повністю витраченим і це джерело енергії вичерпується. Перестають також діяти й інші механізми генерації енергії; зірка позбавляється будь-яких засобів для відтворення своїх енергетичних запасів. Це означає, що вона повинна померти. Тепер, вичерпавши запаси ядерної енергії, зірка може лише скорочуватися і використовувати гравітаційну енергію, щоб підтримати своє світіння. Зірка буде скорочуватися і яскраво світитися. Коли ж і ця енергія вичерпається, зірка починає змінювати свій колір від білого до жовтого, потім до червоного; нарешті вона перестає випромінювати і починає безперервне подорож в неозорому космічному просторі у вигляді маленького темного безживного об'єкта. Але на шляху до згасання звичайна зірка проходить стадію білого карлика.
У 1939р. Р. Оппенгеймер і його аспірант Снайдер в Каліфорнійському університеті (Берклі) займалися з'ясуванням остаточної долі великої маси холодного речовини. Одним з найбільш вражаючих наслідків загальної теорії відносності Ейнштейна виявилося наступне: коли велика маса починає коллапсіровать, цей процес не може бути зупинений і маса стискається в чорну дірку. Якщо, наприклад, невращающаяся симетрична зірка починає стискатися до критичного розміру, відомого як гравітаційний радіус, або радіус Шварцшильда (названий так на честь Карла Шварцшильда, якої першим вказав на його існування). Якщо зірка досягає цього радіусу, то вже ніщо не може перешкодити їй завершити колапс, тобто буквально замкнутися в собі. Чому ж дорівнює гравітаційний радіус? Суворе математичне рівняння показує, що для тіла з масою Сонця гравітаційний радіус дорівнює майже 3 км, тоді як для системи, що включає мільярд зірок, - галактики - цей радіус виявляється рівним відстані від Сонця до орбіти планети Уран, тобто складає близько 3 млрд. км .
Які ж фізичні властивості «чорних дірок» і як вчені припускають виявити ці об'єкти? Багато вчених роздумували над цими питаннями; отримано деякі відповіді, які здатні допомогти в пошуках таких об'єктів.
Вчені відзначають, що ці незвичайні об'єкти нелегко зрозуміти, залишаючись в рамках законів тяжіння Ньютона. Поблизу поверхні чорної діри гравітація настільки сильна, що звичні ньютонівські закони перестають діяти тут. Їх слід замінити законами загальної теорії відносності Ейнштейна. Відповідно до одного з трьох наслідків теорії Ейнштейна, залишаючи масивне тіло, світло повинен відчувати червоне зміщення, тому що він повинен відчувати червоне зміщення, тому що він втрачає енергію на подолання гравітаційного поля зірки. Випромінювання, що приходить від щільної зірки, подібної до білому карлику - супутника Сіріуса А, - лише злегка зміщується в червону область спектру. Чим щільніше зірка, тим більше це зміщення, так що від надщільний зірки зовсім не буде приходити випромінювання у видимій області спектра. Але якщо гравітаційне дію зірки збільшується в результаті її стиснення, то сили тяжіння виявляються настільки великі, що світло взагалі не може покинути зірку. Таким чином, для будь-якого спостерігача можливість побачити чорну дірку повністю виключена! Але тоді, природно, виникає запитання: якщо вона невидима, то як же ми можемо її виявити? Щоб відповісти на це запитання, вчені вдаються до майстерним хитрощів. Руффіні і Уїллер досконально вивчили цю проблему і запропонували кілька способів нехай не побачити, але хоча б знайти чорну діру. Почнемо з того, що, коли чорна діра народжується в процесі гравітаційного колапсу, вона повинна випромінювати гравітаційні хвилі, які могли б перетинати простір зі швидкістю світла і на короткий час спотворювати геометрію простору поблизу Землі. Це спотворення виявилося б у вигляді гравітаційних хвиль, що діють одночасно на однакові інструменти, встановлені на земній поверхні на значних відстанях один від одного. Гравітаційне випромінювання могло б приходити від зірок, що зазнають гравітаційний колапс. Якщо протягом звичайного життя зірка оберталася, то, стискуючись і стаючи все менше і менше, вона буде обертатися все швидше зберігаючи свій момент кількості руху. Нарешті вона може досягти такої стадії, коли швидкість руху на її екваторі наблизиться до швидкості світла, тобто до гранично можливої швидкості. У цьому разі зірка виявилася б сильно деформованої і могла б викинути частина речовини. При такій деформації енергія могла б йти від зірки у вигляді гравітаційних хвиль із частотою близько тисячі коливань у секунду (1000 Гц).
Дж. Вебер встановив пастки гравітаційних хвиль в Аргоннської національної лабораторії поблизу Чикаго і в Мерілендського університету. Вони складалися з масивних алюмінієвих циліндрів, які повинні були вагатися, коли гравітаційні хвилі досягнуть Землі. Використовувані Вебером детектори гравітаційного випромінювання реагують на високі (1660 Гц), так і на дуже низькі (1 коливання на годину) частоти. Для детектування останньої частоти використовується чутливий гравіметрія, а детектором є сама Земля. Власна частота коливань квадрупольні Землі дорівнює одному коливання за 54 хв.
Всі ці пристрої повинні були спрацьовувати одночасно в момент, коли гравітаційні хвилі досягнуть Землі. Дійсно вони спрацьовували одночасно. Але на жаль, пастки включалися занадто часто - приблизно раз на місяць, що виглядало дуже дивно. Деякі вчені вважають, що хоча досліди Вебера і отримані ним результати цікаві, але вони недостатньо надійні. З цієї причини багато хто ставиться досить скептично до ідеї детектування гравітаційних хвиль (експерименти по детектування гравітаційних хвиль, аналогічні дослідів Вебера, пізніше були перевірені в ряді інших лабораторій і не підтвердили результатів Вебера. В даний час вважається, що досліди Вебера помилкові).
Роджер Пенроуз, професор математики Біркбекского коледжу Лондонського університету, розглянув цікавий випадок колапсу і освіти чорної діри. Він також допускає, що чорна діра зникає, а потім виявляється в інший час у якийсь інший всесвіту. Крім того, він стверджує, що народження чорної дірки під час гравітаційного колапсу є важливим вказівкою на те, що з геометрією простору-часу відбувається щось незвичайне. Дослідження Пенроуза показують, що колапс закінчується утворенням сингулярності, тобто він повинен тривати до нульових розмірів і нескінченної щільності об'єкта. Останні умова дає можливість іншого всесвіту наблизитись до нашої сингулярності, і не виключено, що сингулярність перейде в цю нову всесвіт. Вона навіть може з'явитися в будь-якому іншому місці нашої власної Всесвіту.
Деякі вчені розглядають освіта чорної дірки як маленьку модель того, що, згідно прогнозам загальної теорії відносності, в кінцевому рахунку може трапитися зі Всесвітом. Загальновизнано, що ми живемо в незмінно розширюється Всесвіту, і одна з найбільш важливих і насущних питань науки стосується природи Всесвіту, її минулого і майбутнього. Без сумніву, всі сучасні результати спостережень вказують на розширення Всесвіту. однак на сьогодні один із самих каверзних питань такий: сповільнюється чи швидкість цього розширення, і якщо так, то не стиснеться чи Всесвіт через десятки мільярдів років, утворюючи сингулярність. Мабуть, коли-небудь ми зможемо з'ясувати, яким шляхом слід Всесвіт, але, можливо, набагато раніше, вивчаючи інформацію, яка просочується при народженні чорних дір, і ті фізичні закони, які керують їх долею, ми зможемо передбачити остаточну долю Всесвіту.
Майже все своє життя зірка зберігає температуру і розмір практично постійними. Значення головної послідовності полягає в тому, що більшість звичайних зірок виявляються нормальними, тобто позбавленими будь-яких особливостей. Ми вправі очікувати, що ці зірки підкоряються певним залежностей, таким, наприклад, згаданої головної послідовності. Більшість зірок виявляються на цій похилій лінії - головної послідовності, тому, що зірка може прийти на цю лінію всього лише за кілька сотень тисяч років, а покинув її, прожити ще кілька сотень мільйонів років, більшість зірок свідомо залишається на головній послідовності протягом мільярдів років . Народження і смерть - мізерно малі мить в життя зірки. Наше Сонце, що є звичайною зіркою, знаходиться на цій послідовності вже протягом 5-6 млрд. років і, мабуть, проведе на ній ще стільки ж часу, тому що зірки з такою масою і таким хімічним складом, як у Сонця, живуть 10-12 млрд. років. Зірки багато меншої маси знаходяться на головній послідовності приблизно 50 млрд. років. Якщо ж маса зірки в 30 разів перевершує сонячну, то час її перебування на головній послідовності складе всього близько 1 млн. років.
Повернемося до розгляду процесів, що відбуваються при народженні зірки: вона продовжує скорочуватися, стиснення супроводжується зростанням температури. Температура повзе вгору, і ось величезний газовий куля починає світитися, його вже можна спостерігати на тлі темного нічного неба як тьмяний червонуватий диск. Значна частка енергії його випромінювання, як і раніше припадає на інфрачервону область спектру. Але це ще не зірка. У міру того як речовина протозірок ущільнюється, воно все швидше падає до центру, розігріваючи ядро зірки до все більш високих температур. Нарешті температура сягає 10 млн. К, і тоді починають протікати термоядерні реакції - джерело енергії всіх зірок у Всесвіті. Як тільки термоядерні процеси включаються в дію, космічне тіло перетворюється на повноцінну зірку.
Стискаючись, пил і газ утворюють протозірок; її речовина являє собою типовий зразок речовини навколишнього нас частини космічного простору. Говорячи про зразок речовини Всесвіту, ми маємо на увазі, що цей шматочок межзвезной середовища на 89% складається з водню, на 10%-з гелію; такі елементи, як кисень, азот, вуглець, неон і т. п. складають в ньому менше 1% , а всі метали, разом узяті, - не більше 0,25%. Таким чином, зірка в основному складається з тих елементів, які найчастіше зустрічаються у Всесвіті. І оскільки найбагатші у Всесвіті представлений водень, то, звичайно, будь-які термоядерні реакції повинні протікати з його участю.
Де-не-де зустрічаються куточки космічного простору з підвищеним вмістом важких елементів, але це лише місцеві аномалії - залишки давніх зоряних вибухів, розпорошений та поділений в околиці важкі елементи. Ми не будемо зупинятися на таких аномальних областях з підвищеною концентрацією важких елементів, а зосередимо увагу на зірках, що складаються в основному з водню.
Коли температура в центрі протозірок досягає 10 млн. К, починаються складні (але детально вивчені) термоядерні реакції, у ході яких з ядер водню (протонів) утворюються ядра гелію; кожні чотири протона, об'єднуючись, створюють атом гелію. Спочатку, коли з'єднуються один з одним два протона, виникає атом важкого водню, або дейтерію. Потім останній стикається з третього протоном, і в результаті реакції народжується легкий ізотоп гелію, що містить два протони і один нейтрон.
У сум'ятті, що панує в ядрі зірки, що швидко рухаються атоми легкого гелію іноді стикаються один з одним, в результаті чого з'являється атом звичайного гелію, що складається з двох протонів і двох нейтронів. Два зайвих протона повертаються назад в гарячу суміш, щоб коли-небудь знову вступити в реакцію, що породжує гелій. У цьому процесі близько 0,7% маси перетворюється на енергію. Описана ланцюжок реакцій - один з важливих термоядерних циклів, що протікають в ядрах зірок при температурі близько 10 млн. К. Деякі астрономи вважають, що при більш низьких температурах можуть протікати інші реакції, в яких беруть участь літій, берилій і бор. Але вони відразу ж застерігають, що якщо такі реакції і мають місце, то їх відносний внесок у генерацію енергії незначний.
Коли температура в надрах зірки знову збільшується, в дію вступає ще одна важлива реакція, в якій в якості каталізатора бере участь вуглець. Почавши із водню і вуглецю-12, така реакція призводить до утворення азоту-13, який спонтанно розпадається на вуглець-13 - ізотоп вуглецю, більш важкий, ніж той, з якого реакція начіналась.Углерод-13 захоплює ще один протон, перетворюючись на азот -14. Останній подібним же шляхом стає киснем-15. Цей елемент також нестійкий і в результаті спонтанного розпаду перетворюється на азот-15. І нарешті азот-15, приєднавши до себе четвертий протон, розпадається на вуглець-12 і гелій.
Таким чином, побічним продуктом цих термоядерних реакцій є вуглець-12, який може знову започаткувати реакцій даного типу. Об'єднання чотирьох протонів призводить до утворення одного атома гелію, а різниця в масі чотирьох протонів і одного атома гелію, що становить близько 0,7% від первісної маси, проявляється у вигляді енергії випромінювання зірки. На Сонце кожну секунду 564 млн. т водню перетворюється на 560 млн. т гелію, а різниця - 4 млн. т речовини - перетворюється на енергію і випромінюється в простір. Важливо, що механізм генерації енергії в зірку залежить від температури.
Саме температура ядра зірки визначає швидкість процесів. Астрономи вважають, що при температурі близько 13 млн. До вуглецевий цикл щодо неістотний. Отже, при такій температурі переважає протон-протонний цикл. При збільшенні температури до 16 млн. К, ймовірно, обидва циклу дають рівний внесок у процес генерації енергії. Коли ж температура ядра піднімається вище 20 млн. К, переважаючим стає вуглецевий цикл.
Як тільки енергія зірки починає забезпечуватися за рахунок ядерних реакцій, гравітаційне стиснення, з якої почався весь процес, припиняється. Тепер самопідтримується реакція може тривати протягом часу, тривалість якого залежить від початкової маси зірки і складає приблизно від 1 млн. років до 100 млрд. років і більше. Саме в цей період зірка досягає головної послідовності і починає своє довге життя, що протікає майже без змін. Цілу вічність проводить зірка в цій стадії. Нічого особливого з нею не відбувається, вона не привертає до себе пильну увагу. Тепер це всього-на-всього повноцінний член зоряної колонії, загублений серед безлічі побратимів.
Однак процеси, що протікають в ядрі зірки, несуть в собі зародки її майбутнього руйнування. Коли дерево чи вугілля згоряють у каміні, виділяється тепло, а в якості продуктів відходу утворюються дим і попіл. В "каміні" зоряного ядра водень - це вугілля, а гелій - зола. Якщо з каміна час від часу не видаляти золу, то вона може забити його і вогонь потухне.
Якщо в ядрі зірки речовина не перемішується, в термоядерних реакціях починають брати участь шари, що безпосередньо примикають до гелієвої ядра, що забезпечує зірку енергією. Проте з часом запаси водню в цих шарах вичерпуються і ядро розростається все більше і більше. Нарешті досягається стан, коли в ядрі зовсім не залишається водню. Звичайні реакції перетворення водню в гелій припиняються; зірка залишає головну послідовність і вступає в порівняно короткий (але цікавий) відрізок свого життєвого шляху, відзначений надзвичайно бурхливими реакціями.
Коли водню стає мало і він більше не може брати участь у реакціях, джерело енергії вичерпується. Але, як ми вже знаємо, зірка представляє собою тонко збалансований механізм, в якому тиск, що роздувають зірку зсередини, повністю урівноважене гравітаційним тяжінням. Отже, коли генерація енергії слабшає, тиск випромінювання різко падає і сили тяжіння починають стискати зорю. Знову відбувається падіння речовини до її центру, багато в чому нагадує те, з якого почалося народження протозірок. Енергія, що виникає при гравітаційне стиснення, набагато більше енергії, що виділяється тепер в ядерних реакціях, а раз так, то зірка починає швидко стискуватися. У результаті верхні шари зірки нагріваються, вона знову розширюється і росте в розмірах до тих пір, поки зовнішні шари не стануть достатньо розрідженими, краще пропускають випромінювання зірки. Вважають, що зірка типу Сонця може збільшитися настільки, що заповнить орбіту Меркурія. Після того як зірка починає розширюватися, вона залишає головну послідовність і, як ми вже бачили, дні її тепер полічені. З цього моменту життя зірки починає хилитися до заходу.
Коли зірка стискається, за рахунок роботи сил тяжіння виділяється величезна енергія, яка роздмухує зірку. Здавалося б, це повинно привести до падіння температури в ядрі. Але це не так. Проти очікування температура в ядрі зірки різко зростає. У відносно тонкому шарі навколо ядра все ще відбувається звичайне ядерне вигоряння водню, що призводить до збільшення вмісту гелію в ядрі. Коли в ядрі концентрується близько половини маси зірки, остання розширюється до свого максимального розміру і її колір з білого стає жовтим, а потім червоним, тому що температура поверхні зірки зменшується. Тепер зірка вступає в нову фазу. Температура ядра росте до тих пір, поки не перевищить 200 млн. К. При такій температурі починає вигорати гелій, в результаті чого утворюється вуглець. Три ядра гелію, зливаючись, перетворюються в ядро вуглецю, який виявляється більш легким, ніж три вихідних ядра гелію, тому така реакція також йде з виділенням енергії. Знову тиск радіації, яке відігравало таку важливу роль, коли зірка перебувала на головній послідовності, починає протидіяти тяжінню, і ядро зірки знову утримується від подальшого стиснення. Зірка повертається до звичайних розмірах; в міру того, як це відбувається, температура її поверхні росте і вона з червоної стає білою.
У цей момент за деякими загадкових причин зірка виявляється нестійкою. Астрономи вважають, що змінні зорі, то є зірки, періодично змінюють свою світність, виникають на цій стадії зоряної еволюції, тому що процес стиснення відбувається не гладко і на деяких його етапах виникають ритмічні коливання зірки. На цій стадії зірка може пройти через фазу нової, протягом якої вона раптово викидає в міжзоряний простір значна кількість речовини; воно, приймаючи вигляд розширюється оболонки, може містити значну частину маси зірки. Деяких Спалахи нових багаторазово повторюються, і це означає, що однією спалаху недостатньо, щоб зірка досягла стійкості. Але з часом вона набуває стійкість, коливання зникають, зірка починає свій довгий шлях до зоряного кладовища. Навіть на цій стадії зірка ще здатна до активності. Вона може стати наднової. Причина, по якій зірка виявляється здатною на таку активність, обумовлена кількістю речовини, що залишилися у неї до цієї стадії.
Коли ми обговорювали процеси, що протікають в надрах зірки, ми говорили, що основним продуктом ядерних реакцій є гелій. У міру того як переробляється все більше і більше водню, росте гелієвої ядро зірки. Водень зникає, отже, енерговиділення за рахунок цього джерела також припиняється. Але при температурі близько 200 млн. До відкривається ще один шлях, завдяки якому гелій породжує більш важкі елементи, і в цьому процесі виділяється енергія. Два атоми гелію з'єднуються, утворюючи атом берилію, який зазвичай знову розпадається на атоми гелію. Однак температури і швидкості реакцій настільки високі, що перед тим, як відбувається розпад берилію, до нього приєднується третій атом гелію і утворюється атом вуглецю.
Але процес не зупиняється, так як тепер атоми гелію, бомбардуючи вуглець, породжують кисень, бомбардуючи кисень, дають неон, а бомбардуючи неон, виробляють магній. На цій стадії температура ядра ще занадто низька для утворення більш важких елементів. Ядро знову стискається, і так продовжується до тих пір, поки температура не досягне величини порядку мільярди градусів і не почнеться синтез більш важких елементів. Якщо в результаті подальшого стискання ядра температура піднімається до 3 млрд. До, важкі ядра взаємодіють один з одним до тих пір, поки не утвориться залізо. Процес зупиняється. Якщо атоми гелію будуть бомбардувати ядра заліза, то замість утворення більш важких елементів відбудеться розпад ядер заліза.
На цій стадії життя зірки її ядро складається з заліза, оточеного шарами ядер більш легких елементів аж до гелію, а зовнішній тонкий шар утворений воднем, який ще забезпечує деяку кількість енергії. Нарешті настає час, коли водень виявляється повністю витраченим і це джерело енергії вичерпується. Перестають також діяти й інші механізми генерації енергії; зірка позбавляється будь-яких засобів для відтворення своїх енергетичних запасів. Це означає, що вона повинна померти. Тепер, вичерпавши запаси ядерної енергії, зірка може лише скорочуватися і використовувати гравітаційну енергію, щоб підтримати своє світіння. Зірка буде скорочуватися і яскраво світитися. Коли ж і ця енергія вичерпається, зірка починає змінювати свій колір від білого до жовтого, потім до червоного; нарешті вона перестає випромінювати і починає безперервне подорож в неозорому космічному просторі у вигляді маленького темного безживного об'єкта. Але на шляху до згасання звичайна зірка проходить стадію білого карлика.