[Перевод] Спросите Итана №98: когда погаснут звёзды?

Каждую неделю вы присылаете вопросы и предложения в мою рубрику, и на этой неделе было много отличных кандидатов, но я выбрал самый короткий и милый вопрос, но и одновременно самый глубокий. Задаёт его Стив:

Сколько времени потребуется звёздам, чтобы остынуть после того, как они израсходуют своё ядерное топливо? Будут ли у нас «чёрные карлики»? Есть ли они сегодня?

Начнём разговор с жизни звёзд и пройдёмся по ней до самого конца, чтобы подробно изучить этот момент.

Когда облака молекулярного газа коллапсируют под воздействием гравитации, всегда находятся регионы чуть более плотные, чем другие. Каждая часть пространства, где есть материя, пытается привлечь всё больше материи, но эти сверхплотные регионы привлекают материи больше остальных.

Поскольку гравитационный коллапс – процесс стремительный и неконтролируемый, то чем больше материи вы привлекаете, тем быстрее привлекается дополнительная материя. И хотя у большого и рассеянного облака могут уйти миллионы и десятки миллионов лет на превращение в плотный объект, процесс перехода от простого сколлапсированного состояния плотного газа до нового звёздного скопления – где самые плотные регионы зажигают в своих недрах реакции синтеза – проходит всего за несколько сотен тысяч лет.

В новом звёздном скоплении легче всего заметить самые яркие звёзды, которые будут и самыми массивными. Это самые яркие, голубые и горячие из существующих звёзд, их масса в сотни раз превышает массу Солнца, а яркость – в миллионы. Но, несмотря на то, что это самые выдающиеся звёзды, они ещё и самые редкие, и составляют гораздо меньше 1% от всех известных. Также это самые быстроживущие звёзды, так как они сжигают всё ядерное топливо всего за 1-2 миллиона лет.

Когда топливо у этих самых ярких звёзд кончается, они погибают в потрясающем взрыве сверхновой II типа. В этот момент внутреннее ядро схлопывается до нейтронной звезды (в случае ядер малой массы) или даже до чёрной дыры (для массивных ядер), а внешние слои выбрасываются в межзвёздную среду. Там обогащённые газы создадут следующие поколения звёзд, обеспечивая тех тяжёлыми элементами для создания каменистых планет, органических молекул, а в очень редких и чудесных случаях – жизнь.

Чёрные дыры, по определению, сразу становятся чёрными. Они становятся такими практически мгновенно, за исключением окружающих их аккреционных дисков и низкотемпературного излучения Хокинга.

Но нейтронные звёзды – это совсем другой коленкор.

Нейтронная звезда собирает всю энергию в ядре звезды и коллапсирует чрезвычайно быстро. Если что-либо очень быстро сжать, его температура повысится – так работает поршень в дизельном двигателе. Коллапс ядра звезды до нейтронной звезды – наверно, предельный пример быстрого сжатия. За несколько секунд или минут ядро из железа, никеля, кобальта, кремния и серы диаметром во много сотен тысяч километров сжимается до шарика размером не более 16 км. Его плотность увеличивается в квадриллион раз, в 10¹⁵, а температура растёт до 10¹² К в центре и до 10⁶ К на поверхности.

И вот тут появляется проблема.

Вся эта энергия хранится в сколлапсировавшей звезде, и её поверхность такая горячая, что звезда не только светится светло-голубым светом в видимой части спектра, но и излучает в невидимом рентгеновском диапазоне (даже не ультрафиолете)! В этом объекте заключено безумное количество энергии, но выпускать её во Вселенную он может только через поверхность, которая весьма мала.

Вопрос в том, сколько времени уйдёт у нейтронной звезды на охлаждение? Ответ зависит от той части физики нейтронных звёзд, которая на практике не очень изучена: охлаждения нейтрино! Видите ли, если фотоны (излучение) хорошо поглощаются обычной, барионной материей, нейтрино могут беспрепятственно проходить сквозь нейтронную звезду. В самом быстром случае нейтронные звёзды могут остыть и скрыться из видимой части спектра за 10¹⁶ лет, то есть «всего лишь» за время, в миллион раз большее возраста Вселенной. Но в медленных случаях это может занять от 10²⁰ до 10²² лет – то есть, придётся немного подождать.

Но есть и другие звёзды, становящиеся чёрными быстрее.

Большинство звёзд – 99% с хвостом – не становятся сверхновыми, а в конце жизни медленно сжимаются до белых карликов. Медленно это происходит только по сравнению со сверхновыми: это занимает десятки и сотни тысяч лет, а не секунды и минуты, но это всё равно достаточно быстро для того, чтобы сохранить всё тепло ядра звезды. Разница в том, что вместо заключения её в сфере диаметром в 16 км, тепло заключено в объекте размером «всего лишь» с Землю, то есть в тысячу раз большем.

Это значит, что хотя температуры белых карликов могут быть большими – более 20 000 К, то есть, в три раза больше, чем у Солнца – они остывают гораздо быстрее нейтронных звёзд.

Излучение нейтрино для белых карликов пренебрежимо мало, то есть основное излучение идёт с поверхности. При подсчёте того, как быстро тепло может покинуть тело через излучение, получается, что белые карлики (такие, какой получится из Солнца), остынут примерно за 10¹⁴ — 10¹⁵ лет. Это время уйдёт на остывание до нескольких градусов выше абсолютного нуля.

Это значит, что после примерно 10 триллионов лет, или «всего лишь» в 1000 раз дольше текущего возраста Вселенной, температура поверхности белого карлика упадёт так, что он перестанет быть видимым. По истечению этого времени во Вселенной появятся совершенно новые объекты: чёрные карлики.

Так что придётся разочаровать тебя, Стив, сегодня чёрных карликов не существует. Вселенная слишком молода для них. Самые холодные из белых карликов, по нашим подсчётам, потеряли не более 0,2% всей энергии с тех пор, как самые первые из них появились во Вселенной. То есть, для белого карлика с температурой в 20 000 К это значит, что его температура упала до 19 960 К, и до тёмной звезды ему ещё очень далеко.

Забавно, как мы представляем нашу Вселенную, наполненную светящимися звёздами, собранными вместе в галактики, разделённые огромными пространствами. К тому времени, когда появится первый чёрный карлик, наша группа галактик объединится в одну единую, Милкдромеду, большинство звёзд, которые когда-либо возникнут, уже отгорят своё, а оставшиеся будут иметь наименьшую массу, и будут самыми красными и тусклыми из всех.

Кроме этого, все остальные галактики покинут пределы нашей досягаемости, благодаря тёмной энергии. Шансы на существование жизни будут крайне малы, и звёзды вместе со звёздными трупами начнут вылетать из галактики из-за гравитационных воздействий быстрее, чем будут формироваться новые.

И на этом фоне, тем не менее, впервые за долгое время появятся новые объекты. И хотя мы никогда не сможем увидеть и воспринять такой объект, о природе мы знаем достаточно для того, чтобы знать не только о том, что они будут существовать, но и о том, как и когда они появятся. И само по себе это – одно из самых удивительных свойств науки!