Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (13) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Изродената материя

Средната плътност на Слънцето е 1,41 g/cm³ — стойност, малко по-голяма от тази на Юпитер. Такава е плътността на течностите и твърдите тела, които се състоят от комбинации между атомите на най-леките елементи. Такава плътност определено не е характерна за газовете. Дори най-плътният газ на Земята има плътност само малко над 1/100 от слънчевата.

Още повече, че стойността 1,41 g/cm³ представлява само средната плътност на Слънцето. Веществото дълбоко в недрата му, което се намира под мощния натиск на горните слоеве, привличани надолу от огромната слънчева гравитация, трябва да е уплътнено значително повече от средната стойност.

Сигурно е, че най-външните слоеве на Слънцето са съставени само от газ, понеже едно от нещата, които можем да видим в телескоп, са големи кълба светещ газ, които се изхвърлят над повърхността. Още повече, че повърхностната температура на Слънцето е 6000°C и няма нито едно известно ни вещество, което да бъде течно или твърдо при такава температура и при нормално налягане.

Недрата на Слънцето трябва да бъдат значително по-горещи от повърхността му, а налягането там трябва да е огромно. Дори през 90-те години на миналия век беше естествено да се предполага, че при такова налягане слънчевото вещество е уплътнено в нагорещени до бяло твърди тела или течности и че това обяснява голямата плътност на Слънцето. (Сега вече е известно, че тази картина всъщност се отнася за строежа на Юпитер.)

А подробното изучаване на свойствата на Слънцето през първата четвърт на нашия век показа, че дори в самия му център веществото му е газообразно. Това е изглеждало абсолютно невъзможно на учените от 90-те години на миналия век, но за учените от следващите поколения това е било напълно естествено, понеже вътрешният строеж на атома беше вече известен. Беше станало ясно, че малкият атом представлява всъщност една рехава структура от частици, много по-малки от него.

Ето как изглеждат нещата сега.

В центъра на Земята атомите са уплътнени и тяхната съпротивителна сила, породена от електромагнитното отблъскване, е достатъчно голяма, за да държи цялото вещество на горните слоеве на планетата като множество миниатюрни Атласи^[1]. Атомите в центъра на Юпитер са още по-силно уплътнени и издържат на натиска на далеч по-голямата маса на тази гигантска планета.

Но и малките Атласи не са безгранично силни. Масата на Слънцето, която е хиляда пъти по-голяма от тази на Юпитер, под действието на огромната гравитация достига и надминава границите на съпротивителните сили на свързаните структури на атомите. Налягането в центъра на Слънцето е 100 000 000 000 атмосфери или 10 000 пъти повече от това в центъра на Юпитер.

Постоянното натрупване на вещество усилва гравитационното поле и идва такъв момент, когато то преодолява съпротивата на електромагнитните сили, държащи атомите в свързано състояние. Тогава атомите, така да се каже, се срутват вътре в себе си.

Електронните обвивки се смачкват и изчезват под действие на налягането и електроните вече могат да се движат, без да изпитват препятствията, които им налагат тези обвивки. Те се събират заедно и образуват особен вид безструктурен електронен флуид, заемащ значително по-малък обем, отколкото имат електроните в обвивките на свързаните атоми. Когато те се събират заедно, електромагнитното отблъскване между тях силно се увеличава и електронният флуид може да издържи далеч по-голямо гравитационно уплътняване в сравнение с неразрушените атоми.

Атомните ядра се движат свободно в този електронен флуид и могат да се сближават толкова, колкото им диктува случаят. Те дори могат да се удрят едно в друго.

При обикновените атоми, които съществуват на Земята (и даже в центъра на Юпитер), електронните обвивки действуват като „буфери“. Електронните обвивки на даден атом не могат да проникнат много навътре в обвивките на друг атом и доколкото ядрата на атомите се намират в центъра на тези обвивки, те остават относително отдалечени едно от друго. След като електронните обвивки се смачкат и електроните се свият в електронен флуид, който е много по-компактен, средното разстояние между атомните ядра намалява значително.

Материя, в която електронните обвивки са разрушени и в която ядрата се движат свободно в електронния флуид, се нарича изродена материя. Изродената материя може да бъде много по-плътна от обикновеното вещество. Ядрата на атомите са много по-тежки от електроните и именно те дават най-голям принос в сумарната маса на всяко тяло. Ако по някакъв начин заставим ядрата в изродената материя да се сближат повече, отколкото в нормалното вещество, ще получим много повече маса в единица обем, а следователно и много по-висока плътност.

Ядрата, които заемат само една милионна от една милиардна част от обема на неразрушените атоми, въпреки високата плътност могат свободно да се движат насам-натам точно по същия начин, както правят това атомите и молекулите на обикновените газове. Затова изродената материя, независимо от високата си плътност се държи като газ и има характерните свойства на газовете — ако щете, можете да я наричате „ядрен газ“.

През 1907 г. в една своя книга швейцарският астроном Якоб Роберт Емден (1862–1940) изложил за първи път концепцията, че Слънцето се състои изцяло от газ. Тази идея получила плът и кръв през 1916 г. в трудовете на английския астроном Артър Стенли Едингтън (1882–1944).

Той доказал, че ако Слънцето представлява газово кълбо, изградено от обикновени атоми в най-външните си слоеве и от разрушени атоми в най-дълбоките си слоеве, то слънчевото вещество ще има поведение на обикновен газ. От лабораторните изследвания на газовете знаем, че винаги съществува равновесие между силата, която се стреми да уплътни газа, и температурата, която се стреми да го разшири.

Затова и в Слънцето трябва да има равновесие — гравитационното привличане трябва да се компенсира от температурата в недрата му. Големината на гравитационното поле на Слънцето и способността му да уплътнява веществото са известни. Едингтън се заел да определи каква трябва да е температурата в Слънцето, за да се получи ефект на разширяване, достатъчен за компенсиране на гравитацията.

Резултатите били изненадващи. Огромното компресиращо действие на слънчевата гравитация се отразява на плътността на слънчевото вещество и в околностите на центъра на Слънцето тя достига 100 g/cm³, което е 4 пъти повече от плътността на най-плътния елемент, съществуващ на земната повърхност. И въпреки тази голяма плътност в ядрото си Слънцето се държи така, сякаш се състои изцяло от газ. Температурата в центъра на Слънцето е 15 000 000°C. Такава висока температура е необходима, за да може веществото на Слънцето да заеме обема, който има, независимо от гравитацията. Затова средната му плътност е само 1,41 g/cm³ (загадъчното тук, както виждате, не е в това, че плътността е толкова голяма, а по-скоро в това, че тя е толкова малка).

Кое причинява тази огромна температура в ядрото на Слънцето? Още от времето на Ръдърфорд станало ясно, че това може да бъде само ядрена енергия. Ядрените реакции, при които ядрата поглъщат, отделят и пренасят адрони, генерират много повече енергия от химичните реакции, при които атомите поглъщат, отделят и пренасят електрони. Ядрените реакции са продукт на ядрените сили, които са много по-големи от електромагнитните сили, чийто продукт са химичните реакции.

Тогава следващият въпрос е кои точно ядрени реакции са причина за голямата мощ на Слънцето?

За да си отговорим на този въпрос, трябва да знаем нещо за химичния състав на Слънцето и да имаме някакви разумни представи за това, какви атомни ядра има в неговия център, а оттук и какви ядрени реакции са възможни там.

За щастие химичният състав на Слънцето може лесно да се установи чрез анализ на неговата светлина. Светлината се състои от вълни с много малка дължина, а слънчевото излъчване представлява смес от всички възможни дължини на вълните.

Различните атоми излъчват светлина с определени, характерни само за тях дължини на вълните. Също така те поглъщат светлинни лъчи, чиито дължини на вълните са точно същите, които сами излъчват. С инструмент, наречен спектроскоп, слънчевата светлина може да се разложи в спектър, в който всички дължини на вълните са подредени^[2]. В спектъра на Слънцето има хиляди тъмни линии. Те представляват дължините на вълните, които се поглъщат от атомите в най-външните слоеве на слънчевото вещество. Положенията на тези линии в спектъра могат да се определят много точно, а оттам могат да се идентифицират различните видове поглъщащи атоми.

Още през 1862 г. шведският физик Андерс Йонас Ангстрьом (1814–1874) откри водород в Слънцето. Познанията за химичния състав на Слънцето постоянно се обогатяваха и през 1929 г. американският астроном Хенри Норис Ръсел (1877–1957) успя да го определи вече с най-големи подробности.

Оказа се, че около 90% от всички атоми в Слънцето са атоми на водорода и затова най-правдоподобно беше да се предположи, че в центъра на Слънцето има предимно ядра на водорода, които представляват отделни протони. Тогава ядрените реакции, необходими за поддържането на огромните складове енергия, която Слънцето постоянно излъчва, най-вероятно са реакции, в които участвуват ядрата на водорода. Там не може да има достатъчни количества атомни ядра от някакъв друг вид, които да генерират цялата необходима на Слънцето енергия, за да може то да съществува всичките тези 5 милиарда години.

През 1938 американският физик от немски произход Ханс Албрехт Бете (1906) използувал знанията за ядрените реакции, натрупани в лабораторни условия, за да разбере какво би могло да става в недрата на Слънцето.

При огромните налягания и плътности в слънчевото ядро водородните атоми — протоните — са много близо един до друг и не са защитени от електронни обвивки. При гигантската температура в ядрото на Слънцето те се движат със скорости, далеч по-големи от тези, които са възможни на Земята. Съчетанието от близост и скорост означава, че протоните се удрят взаимно доста често, при това с огромна сила. След такива взаимни удари те понякога остават заедно, като се сливат в по-големи ядра.

Подробностите за това, което става там, все още са дискусионни, но основните резултати са сигурни. В центъра на Слънцето водородните ядра се сливат, за да образуват ядра на хелия — следващият по сложност елемент. За да се образува едно хелиево ядро, състоящо се от четири нуклона — два протона и два неутрона — трябва да се слеят четири протона.

В това се състои следователно и фундаменталната разлика между Слънцето и една планета.

При планетите насоченото навътре гравитационно привличане води до уплътняване на атомите, при което електромагнитните сили на електронните обвивки генерират уравновесяващ натиск, противодействуващ на гравитацията.

При Слънцето много по-голямото гравитационно привличане не може да се компенсира от съпротивлението на атомите при уплътняването и атомите, така да се каже, се разрушават от налягането. Вместо това гравитацията се уравновесява от топлинното разширяване, генерирано от ядрените реакции, които не могат да протичат при по-ниските температури в планетните недра.

Очевидно трябва да съществува някаква критична маса, под която атомите издържат на уплътняването и тялото все още е планета. Над тази маса атомите се разрушават, пламват ядрени реакции и тялото вече е звезда. Тази критична маса има стойност, която се намира в интервала между масите на Юпитер и на Слънцето.

Обекти с маси, много по-малки от слънчевата, които несъмнено са звезди, са известни на астрономите. Една от звездите, включена в каталога на Люйтен под номер 726-8B, има маса само 1/25 от слънчевата, но ние все пак виждаме пламъчето, на нейната слаба светлина. Масата на звездата Люйтен 726-8B е само 40 пъти по-голяма от масата на Юпитер, но това е звезда, а не планета.

Впрочем има нещо съмнително и в самия Юпитер. Той излъчва в космическото пространство около три пъти повече енергия, отколкото получава от Слънцето.^[3] Откъде идва този излишък от енергия?

Може би Юпитер все още продължава слабо да се свива й кинетичната енергия на това свиване се превръща в топлина. Може би също така атомите в центъра на Юпитер се намират при температури и налягания, близки до границата им на издръжливост, поради което е възможно протичането на слаби реакции на водороден ядрен синтез, достатъчни да обезпечат излъчването от планетата на допълнително количество топлина.

Ако това е така, то Юпитер е на ръба на възпламеняването на ядрените реакции. Разбира се, няма опасност от едно действително ядрено възпламеняване, защото Юпитер не е достатъчно голям и ще си остане завинаги на ръба на възпламеняването.