Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (15) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Свърхплътност

„Тъмнината“ на тъмните спътници изчезнала през 1862 г., благодарение на американския телескопостроител Алвън Греъм Кларк (1832–1897). Той изработил лещов обектив за телескопа, поръчан, от университета в щата Мисисипи точно преди началото на Гражданската война в САЩ. (Войната попречила той да бъде доставен на поръчителя, вместо това телескопът бил отправен в Чикагския университет.)

Когато обективът бил готов, Кларк решил да направи последен тест в условията на реално наблюдение и да се убеди дали той работи добре. По време на теста той го насочил към Сириус и забелязал слаба искрица светлина близо до звездата. На това място върху нито една от звездните карти не било означено нищо.

Отначало Кларк си помислил, че тази искрица се дължи на несъвършенството на обектива и че част от светлината на Сириус по някакъв начин се е отклонила. Обаче по-нататъшните проверки показали, че обективът няма никакви дефекти. Той не могъл да направи нищо, за да премахне тази искрица или да я накара да промени положението си. Нещо повече, това положение като че ли точно съвпадало с мястото, където по това време трябвало да се намира предполагаемият тъмен спътник на Сириус.

Заключението било, че Кларк видял тъмния спътник. Той бил много слаб, с блясък само 1/10 000 от блясъка на Сириус, но не бил съвсем тъмен. И така, „тъмният“ спътник на Сириус станал „слабият“ спътник на Сириус и сега го знаем като Сириус B, а самият Сириус бил наречен Сириус A. Сириус представлява система от две звезди или двойна звезда.

През 1895 година американският астроном от немски произход Джон Мартин Шеберле (1853–1924) открил искрица светлина в близост до друга ярка звезда — Процион. Неговият „тъмен“ спътник бил също такава слаба звезда, която сега наричаме Процион B.

В действителност това по същество не променило много нещата, но означавало, че щом спътниците не са напълно изгаснали звезди, те са поне отмиращи. Независимо от това, че те не са престанали да светят, те угасват с времето.

Обаче още до момента, когато Шеберле открил слабия спътник на Процион, нещата започнали да се променят.

През 1893 година немският физик Вилхелм Вин (1864–1928) показал, че природата на светлината, която се излъчва от който и да е нагрят обект (било то някаква звезда или пламъците на огъня) зависи от температурата на този обект. Човек може да изследва дължината на светлинните вълни и характера на тъмните линии в спектъра и да стигне до твърдия извод, че светлината се излъчва под влиянието на температурата.

По закона на Вин всяка умираща звезда по пътя си към тъмнината се охлажда и би трябвало да почервенява. Обаче Сириус B и Процион B са слаби, но бели на цвят.

Изследването на спътниците само с невъоръжено око не е достатъчно. Необходим е спектър, за да могат дължините на вълните на тъмните линии в него да бъдат подробно изучени. Това не е толкова лесно, тъй като спътниците са така слаби и близки до ярките си партньори, че те се изгубват в техните лъчи.

Независимо от това през 1915 година американският астроном Уолтър Сидни Адамс (1876–1956) успял да улови светлината от Сириус B в спектроскоп и получил спектър, който можел да бъде изследван. След като този спектър бил изучен, вече нямало съмнение, че Сириус B не е умираща звезда. Тя е гореща почти колкото Сириус A и значително повече от нашето Слънце.

Сириус A има повърхностна температура 10 000°C, а Сириус B — 8000°C. Съответната температура на повърхността на Слънцето е само 6000°C.

От температурата на Сириус A можем да узнаем колко ярка трябва да бъде всяка единица площ от нейната повърхност — тя е 4 пъти по-ярка от съответната единица площ на Слънцето. От видимия от Земята блясък и от разстоянието до Сириус, — което е 8,8 светлинни години, ние можем да узнаем също колко ярка трябва да бъде цялата повърхност на звездата. Можем да пресметнем, че Сириус A трябва да излъчва 35 пъти повече светлина от Слънцето. За да генерира толкова много светлина (знаейки колко излъчва всяка единица площ от повърхността й), Сириус A трябва да е около 1,8 пъти по-голяма от Слънцето или да има диаметър 2 500 000 km.

(С идването на новия век астрономите започнаха да осъзнават, че Слънцето, царувало до този момент като най-славното небесно тяло, от чиято енергия зависят всички живи същества на Земята, в крайна сметка е една средна звездна и нищо повече. Сириус A е двойно по-голяма от Слънцето, почти два пъти по-гореща от него и над 30 пъти по-ярка. Но ние не трябва да се чувстваме онеправдани. Ако Сириус A замести Слънцето на нашето небе, ще ни залее наистина ослепителна светлина — дори прекалено — и тогава земните океани ще се изпарят, а Земята не след дълго ще се превърне в мъртъв свят.)

Загадката обаче се крие в Сириус B. При неговата повърхностна температура всяка единица площ от повърхността му трябва да отдава по-малко светлина от единица площ на Сириус A. За да обясним тогава защо Сириус B е толкова слаб в сравнение със Сириус A, трябва да направим извода, че Сириус B има по-малка — и то много по-малка излъчваща повърхност. При температурата на Сириус B е необходима повърхност, която е само 1/2800 от тази на Сириус A.

При такава повърхност диаметърът на Сириус B трябва да е само 1/53 от този на Сириус A, т.е. само 47 000 km. Ако това е така, тогава Сириус B има размерите на планета, тъй като това грубо съответствува на размерите на Уран или Нептун. Неговият диаметър е само около 1/3 от диаметъра на Юпитер и обемът му е само около 1/30 от този на Юпитер. Фактически диаметърът на Сириус B е само 3,7 пъти по-голям от земния.

Откритието на Адамс означавало, че Сириус B е звезда от съвършено нов клас — нагорещена до бяло звезда, но с големина на джудже в сравнение с обикновените звезди като Слънцето. Сириус B е бяло джудже, а съвсем скоро се оказало, че и Процион B е също такова джудже.

Ако не само размерите, но и масата на Сириус B беше като тази на планетите, той не би могъл да продължава да свети и да бъде толкова горещ. Обекти с размерите и масата на Уран или Нептун просто нямат такова залягане в недрата си, което да е в състояние да възбуди огъня на ядрените реакции.

Че масата на Сириус B не е като планетните маси, няма съмнение независимо от неговите размери. Не е възможно толкова голяма звезда като Сириус A да се отклонява от праволинейното си движение, ако Сириус B няма звездоподобна маса — в противен случай нямаше да съществува такова отклонение.

От разстоянието, което ни дели от Сириус A и Сириус B, и от видимото им разделяне на небето можем точно да изчислим какво е истинското разстояние между тях. Сириус A и Сириус B са отдалечени на около 3 000 000 000 km един от друг, така че средното разстояние между тях е малко по-голямо от разстоянието между Уран и нашето Слънце. Но докато на Уран са необходими 84 години, за да обиколи Слънцето, то на Сириус B му трябват само 50 години, за да се завърти около Сириус A.

От това може да се пресметне, че интензитетът на гравитационните полета на Сириус A и Сириус B е 3,4 пъти по-голям от този на Слънцето и Уран. Това означава, че Сириус A и Сириус B, взети заедно, имат 3,4 пъти по-голяма маса от сумарната маса на Слънцето и Уран (или само на Слънцето, понеже приносът на Уран в общата маса е толкова малък, че може да се пренебрегне).

В действителност Сириус B не се върти около Сириус A. Двете звезди обикалят около общия гравитационен център на системата. Бихме могли да си ги представим като двата края на гира, свързани с дървена пръчка, които се въртят бързо около някакъв общ център. Ако двете топки в краищата на гирата имат една и съща маса, гравитационният център ще бъде точно в средата между тях. Ако едната има по-голяма маса от другата, този център ще бъде по-близо до по-голямата маса, като отношението на разстоянията между топките и гравитационния център съответствува на отношението между масите на топките.

Що се отнася до Слънцето и неговите планети, то неговата маса е толкова голяма в сравнение със сумарната маса на всички планети, че общият гравитационен център е много близо до геометричния център на Слънцето и ние практически не грешим, когато казваме, че планетите се въртят около Слънцето. Същото може да се каже й за Луната и нейното въртене около Земята, понеже Земята е 81,3 пъти по-масивна от Луната и общият център на системата Земя — Луна е 81,3 пъти по-близо до Земята. Всичко тора може да се каже и за която и да е друга система „планета — спътник“ от слънчевото семейство.^[1]

Обаче в системата Сириус A — Сириус B масата е разпределена повече или по-малко еднакво, така че общият им гравитационен център е разположен в пространството между тях. И двете звезди обикалят около този център — следователно и двете променят значително своето положение при движението си. (Ако това не беше така, то Бесел не би забелязал отчетливото вълнообразно движение на Сириус по небето.)

Положението на общия гравитационен център на Сириус A и Сириус B може да се определи от техните орбити. От това положение се оказва, че масата на Сириус A е 2,5 пъти по-голяма от тази на Сириус B. След като общата им маса е 3,4 пъти по-голяма от слънчевата, то Сириус A — тази най-великолепна звезда на нашето небе — е 2,4 пъти по-масивна от нашето Слънце, а Сириус B — тази едва забележима искрица — има маса почти колкото на Слънцето.^[2]

Това, че Сириус A е 2,4 пъти по-масивен от Слънцето, не предизвиква изненада — та той е по-голям, по-горещ и по-ярък от него. Обаче свойствата на Сириус B са удивителни. При размери като на Уран или Нептун масата му е почти равна на слънчевата.

Всичко това означава, че Сириус B трябва да има много голяма плътност. Неговата средна плътност трябва да е някъде около 35 000 g/cm³, което е 3000 пъти повече от плътността на веществото, образуващо земното ядро, и 350 пъти повече от плътността на веществото в ядрото на Слънцето.

По времето, когато Адамс определил размерите на Сириус B, това изглеждало действително потресаващо, понеже такива плътности били смятани за невъзможни. Но четири години преди откритието на Адамс Ръдърфорд създал теорията си за строежа на атома и показал, че голямата част от масата му е съсредоточена в неговото извънредно малко ядро. Учените веднага се възползували от новото знание, но мисълта за това, че разрушените атоми могат да се свиват много повече, отколкото това е възможно при атомите в свързано състояние, е била трудна за възприемане. Затова имало доста скептицизъм по въпроса, възможно ли е да съществуват такива бели джуджета.