Конечные стадии эволюции массивных звезд
Большинство нейтронных звезд образуется при гравитационном коллапсе ядер звезд, имевших в начале жизни массу более десяти солнечных. Их рождение сопровождается грандиозным небесным явлением — вспышкой сверхновой звезды (II типа).
Зная из наблюдений, что вспышки сверхновых в нормальной галактике происходят примерно раз в 30 лет, легко вычислить, что за время существования нашей Галактики (10–13 млрд лет) в ней должно было образоваться несколько сот миллионов нейтронных звезд.
Молодые нейтронные звезды быстро вращаются (периоды их вращения измеряются десятком миллисекунд) и обладают сильным магнитным полем. Вращение вместе с магнитным полем создают мощные электрические поля, которые вырывают заряженные частицы из твердой поверхности нейтронной звезды и ускоряют их до очень высоких энергий. Ускоренные электроны в магнитном поле излучают фотоны с очень высокой энергией, которые сами могут рождать новые пары электронов и позитронов. Образованная таким образом плазма состоит из частиц, которые движутся с ультрарелятивистскими скоростями (т. е. практически со скоростью света). В ней могут рождаться радиоволны, которые и наблюдают радиоастрономы от пульсаров.
С потерей энергии вращение нейтронной звезды тормозится, электрический потенциал, создаваемый магнитным полем, падает. При некотором его значении заряженные частицы перестают рождаться, и радиопульсар «затухает». Это происходит за время около 10 млн лет, поэтому действующих пульсаров в Галактике должно быть несколько сот тысяч (один на 1500 звезд соответствующей массы). В настоящее время наблюдается более 2000 пульсаров.
Как и для белых карликов, для нейтронных звезд существует предельно возможная масса, которая носит название предела Оппенгеймера — Волкова. Однако строение материи при фантастически высоких плотностях в недрах массивных нейтронных звезд известно плохо. Поэтому предел Оппенгеймера — Волкова точно не установлен. Его теоретическая оценка зависит от сделанных предположений о типе и взаимодействии частиц внутри нейтронной звезды. Но в любом случае предельная масса не превышает трех масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется черная дыра — коллапсирующее тело, которое не может покинуть даже свет.
Удивительно, но самые «экзотические» с точки зрения образования и физических проявлений космические объекты — черные дыры — устроены гораздо проще, чем обычные звезды или планеты. У них нет химического состава, их строение не связано с различными типами взаимодействия вещества — они описываются только уравнениями общей теории относительности А. Эйнштейна. Кроме массы черная дыра может еще характеризоваться моментом количества движения и электрическим зарядом. Единственный путь, позволяющий судить о реальности этих экзотических объектов, — это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.
Термин «черная дыра» был введен в науку в 1968 г. американским физиком-теоретиком Джоном Уилером (1911–2008) для обозначения сколлапсировавшей звезды. Про черную дыру говорят, что она уходит под горизонт событий для далекого наблюдателя. На достаточно больших расстояниях черная дыра проявляет себя как обычное гравитирующее тело той же массы. Поверхности в традиционном понимании у черных дыр быть не может.
Свидетельства существования черных дыр
Имеются косвенные доказательства существования черных дыр в нескольких десятках галактических тесных двойных рентгеновских звезд. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера (например, периодических импульсов в излучении), и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше трех масс Солнца). Не исключено, что образование черных дыр при гравитационном коллапсе ядра массивной звезды сопровождается образованием мощных узконаправленных выбросов, наблюдаемых как космические гамма-всплески. Сейчас рентгеновская астрономия позволяет исследовать рентгеновское излучение очень быстрой (миллисекундной) переменности.
В оптической астрономии появилась возможность регистрации очень слабых потоков света. Прямое обнаружение черных дыр будет связано с совершенно новым направлением звездной науки — гравитационно-волновой астрономией. В феврале 2016 г. впервые после многолетних попыток было объявлено о первой достоверной регистрации гравитационных волн. Считается, что обнаруженный всплеск гравитации возник при слиянии двух черных дыр массой 29 и 36 масс Солнца. В следующие два года было зафиксировано ещё несколько гравитационно-волновых сигналов.