Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (17) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Образуване на белите джуджета

Сега нека погледнем отново какво ще стане, когато нашето Слънце достигне стадия на червен гигант и изразходва цялата ядрена енергия в недрата си. Гравитационното привличане, на което до този момент се е противопоставял разширяващият ефект на топлината, ще започне да свива Слънцето (както това става сега при други звезди, достигнали вече този стадий) до някакво състояние, когато на гравитацията ще започне да се противопоставя нещо друго вместо топлината.

Когато Слънцето се свива, то става все по-плътно, докато не достигне състояние, в което свързаните атоми се допират едни други, както е например при планетите като Земята и Юпитер. Но голямата маса на звездното вещество генерира достатъчно силно гравитационно поле, което може да разруши тези намиращи се в свързано състояние атоми. Така че при звездите свиването продължава. И ако процесът въобще достига до някакво уравновесяване, то се дължи на субатомните частици, изграждащи самите атоми.

Какво представляват тези субатомни частици и по какъв начин те се променят със стареенето на Слънцето (или на всяка друга звезда)?

В началото Слънцето (или всяка друга звезда) е изградено предимно от водород. Водородът се състои от ядро, в което се съдържа само един протон с единичен положителен заряд, уравновесен от един обикалящ около ядрото електрон с единичен отрицателен заряд, който представлява останалата част на атома.

Със стареенето на Слънцето водородът малко по малко се изчерпва, понеже всеки четири водородни ядра се сливат и образуват едно хелиево ядро. Тъй като хелиевото ядро е съставено от два протона и два неутрона (които са електрически неутрални), ние можем да кажем, че когато целият водород се изразходва, половината от протоните в звездата ще са се превърнали в неутрони. Когато звездата се превърне в червен гигант, хелиевите ядра продължават да участвуват в други реакции на термоядрен синтез и накрая се превръщат в ядра на желязото. При този процес в неутрони се превръщат и други протони, и в крайна сметка накрая звездата представлява смес от протони и неутрони в съотношение 45 към 55.

Какво става междувременно с електроните?

Всеки път, когато положително зареденият протон се превръща в електрически неутрален неутрон, нещо трябва да става с положителния заряд. Зарядът не може да се превърне в нищо. Той се изхвърля от новосинтезираното ядро заедно с минимално количество маса. Това малко количество маса е достатъчно, за да генерира частица като електрона, само че с положителен заряд. Този положително зареден електрон се нарича позитрон. От всеки четири протона, слели се в едно хелиево ядро, се образуват два позитрона.

Веднъж образувани, позитроните задължително се сблъскват с електроните, които в неизброимо количество присъствуват в Слънцето (както и в състава на цялата обикновена материя). Положителният електричен заряд не може да изчезне сам по себе си, не може да изчезне и отрицателният заряд, но двата могат да се унищожат взаимно, ако се срещнат. Когато един позитрон и един електрон се сблъскат, тогава се получава взаимна анихилация на заряда и масата, които се превръщат във високоенергетични фотони, наречени гама-лъчи, непритежаващи нито заряд, нито маса.

За времето на живот на Слънцето като нормална звезда около половината от неговите електрони ще се разрушат по описания начин. Останалата половина е достатъчна, за да уравновеси заряда на половината от протоните, които са се запазили като такива.

При превръщането на протоните в неутрони и при взаимната анихилация на електроните и позитроните се губи значително количество маса. Тя се превръща в това огромно количество радиация, което Слънцето излъчва за времето на целия му живот, докато то работи като водороден термоядрен реактор. Маса се губи и по още една причина, понеже Слънцето постоянно изпуска поток от протони във всички посоки. Това е така нареченият слънчев вятър.

Цялата тази загуба представлява само малка част от масата на Слънцето. По времето, когато Слънцето (или някоя друга единична звезда) приключи своя стадий на червен гигант и стане готово за ново свиване, то е запазило 98% от първоначалната си маса. Именно тази маса сега започва да се свива.

Електроните, протоните и неутроните притежават и вълнови свойства, и свойства на частици. Колкото по-голяма е масата на частицата, толкова по-къси са нейните вълни, толкова по-силно се изразяват свойствата й на частица. Колкото по-малка е масата й, толкова по-дълги са свързаните с нея вълни и вълновите й свойства са по-силно изразени.

Протоните имат много по-голяма маса от електроните — те са 1836 пъти по-масивни. Неутроните от своя страна са 1838 пъти по-масивни от електроните. Протоните и неутроните са частици с изключително малки размери и се асоциират с много къси вълни. Електроните се асоциират със сравнително дълги вълни и следователно заемат много по-голямо пространство от протоните и неутроните.

При колапса на една звезда след преминаване на границата, при която атомите се разрушават, сравнително големите електрони са първите, които, така да се каже, започват да се допират помежду си.

Допрените един до друг електрони са много по-компактни, отколкото когато влизат в състава на атомите. Така например Сириус B и Слънцето имат почти еднакви маси, но Сириус B заема обем само 1/27 000 от обема на Слънцето. (Това различие в обемите наподобява разликата между пространството, което заемат стотици наредени плътно едно до друго топчета за тенис на маса, и пространството, което биха заели същите тези топчета, ако бъдат смачкани и раздробени на отделни пластмасови парчета.)

Дори след като електроните са се допрели помежду си, по-малките (но с по-голяма маса) протони, неутроните и образуваните от тях атомни ядра, все още намират достатъчно място, за да се движат. Тези ядра са разположени много по-компактно, отколкото когато влизат в състава на атомите, но те все още разполагат с достатъчно място, понеже разстоянията между тях са много големи в сравнение със собствените им размери.

Що се отнася до атомните ядра, бялото джудже с плътността, която има, все още в по-голямата си част представлява „кухо“ пространство. Например в Сириус B, който може да се смята за електронен флуид, атомните ядра заемат само 1/4 000 000 000 от неговия обем. Следователно атомните ядра в белите джуджета имат поведение на обикновен газ.

Естествено веществото на бялото джудже няма еднакви свойства навсякъде. Това се отнася и за другите масивни обекти. Ако си представим, че се движим от повърхността към центъра, ще видим как налягането се увеличава.

Бялото джудже има почти нормална обвивка — това е най-външният му слой, в който атомите са в свързано състояние и се притеглят силно от интензивната повърхностна гравитация, но не чувствуват теглото на слоевете над тях, понеже такива няма. В тази „атмосфера“ на бялото джудже могат да съществуват голям брой атоми от различни видове, дори и малко водород, който е избягнал участие в термоядрения синтез по време на целия живот на звездата, понеже никога не е бил част от звездните недра. Атмосферата има дебелина само няколкостотин метра.

Ако си представим, че навлизаме навътре във веществото на белите джуджета, ще видим, че атомите от атмосферата постепенно се разпадат на електрони и ядра, като и едните, и другите се движат свободно. Там продължават да протичат известен брой ядрени реакции до пълното изчерпване на водорода. Ако продължим да се спускаме надолу, ще видим, че идва момент, когато електроните се допират помежду си и започнат да се съпротивляват на по-нататъшното гравитационно свиване. Колкото повече са свити те, толкова по-силна е съпротивата им срещу гравитацията и точно тази съпротива е спряла по-нататъшното свиване на звездата до стадия на бяло джудже.

Веществото в недрата на бялото джудже има значително по-голяма плътност от средната плътност на цялата звезда. Плътността в центъра достига 100 000 000 g/cm³.

След образуването си бялото джудже, разбира се, е много нагорещено, понеже кинетичната енергия на свиването се е превърнала в топлина. Новообразуваното бяло джудже има температура на повърхността над 100 000°C.

Тъй като бялото джудже излъчва топлина в околното пространство, пълната му енергия трябва да намалява. Една много малка част от енергетичните загуби ще бъде компенсирана от ядрени реакции, които протичат в нормалното вещество, изграждащо горните му слоеве. Постепенно бялото джудже се охлажда. Известни са стари бели джуджета с повърхностни температури не повече от 5000°C.

Тази загуба на топлина не оказва голямо влияние върху структурата на бялото джудже. Обикновените звезди ще колапсират, ако загубят топлината си, понеже това, което се съпротивлява на гравитационното свиване, е родената в техните недра топлина. Бялото джудже се съпротивлява на гравитационното привличане чрез насочено навън налягане на своите уплътнени електрони, което не зависи от температурата. Електроните се противопоставят на по-нататъшно свиване еднакво ефективно както когато са студени, така и когато са горещи.

Тогава, както може да се предположи, загубата на топлина ще продължи, без това да доведе до значителни промени в структурата на бялото джудже, докато накрая то не изстине и не престане да свети. То се превръща в черно джудже и ще продължи да се охлажда по-нататък с еоните, докато неговата енергия не спадне дотолкова, че да се изравни със средната енергия на цялата Вселена — няколко градуса над абсолютната нула.

Това е много бавен процес — продължителността на живота на цялата Вселена от създаването и до днес няма да стигне, за да може което и да е бяло джудже да изчерпи напълно енергията си. Всички образувани досега бели джуджета днес все още светят, но като мине достатъчно време, те ще изгаснат.

Дотук в тази книга ние разглеждахме два вида вечни обекти — т.е. обекти, които могат да се съпротивляват на гравитационното привличане неопределено дълго време. Едни от тях са обектите от планетен тип, които поради малката си маса никога не могат да запалят ядрен огън, а гравитационният им натиск е уравновесен завинаги от силата на налягането на атомите в техните недра.

Има (или ще има някой ден) и черни джуджета, които са били достатъчно масивни и са запазили някога ядрен огън, но с времето те са изгорели. При тях гравитационният натиск е уравновесен завинаги от насочената навън сила на налягане на уплътнените електрони.

Всички обекти, които виждаме на небето извън нашата слънчева система, както и самото Слънце, не са вечни обекти. Обикновените звезди, които виждаме, са временни структури, които горят по пътя си към стадия на черно джудже (или, както ще видим, по пътя към други още по-странни обекти).

Ние също виждаме в междузвездното пространство облаци от прах и газ, но под действието на собственото им гравитационно поле по-голямата част от тези облаци ще кондензират евентуално до образуването на звезди, а след това също ще тръгнат по пътя към черните джуджета. Някои от облаците ще кондензират до тела с извънредно малка маса и няма да могат да запалят ядрени реакции — тогава те ще се превърнат в планетни тела. Ако някои от облаците избягнат кондензацията и се разсеят, присъединявайки се към малките количества обикновени атоми, молекули и частици прах, които запълват пространството между звездите и галактиките, то тогава те биха могли да се разглеждат като отделни свръхмалки планетни тела.

И така, планетните тела и черните джуджета са единствените два класа вечни обекти във Вселената и в тази книга ние вече ги разгледахме.

Наблюдават се няколкостотин бели джуджета, но това не е никак много, като се има предвид, че звездите по небето са милиарди и милиарди. Припомнете си обаче, че белите джуджета светят слабо поради малките си размери. Тяхната яркост е само 1/1000÷1/10 000 от тази на обикновените средни звезди и следователно можем да ги видим само ако се намират много близо до нас.

Ние виждаме толкова малко бели джуджета, защото на разстоянията, при които нормалните звезди изглеждат достатъчно бляскави и могат да се наблюдават и изучават, белите джуджета изглеждат много слаби и не могат да се разпознават, а понякога дори не могат и да се видят. Единственият начин тогава, по който действително бихме могли да съдим за броя на белите джуджета, е да изследваме непосредствените околности на Слънцето.

В пространството с радиус 35 светлинни години около Слънцето съществуват около 300 звезди. От тях 8 са бели джуджета. Ако приемем, че това е обичайното съотношение (ние нямаме причина да мислим, че това не е така), тогава бихме могли да кажем, че между 2% и 3% от всички звезди са бели джуджета. Само в нашата Галактика вероятно съществуват около 4 милиарда бели джуджета.