Физика. Серия "Инновационная школа". 11 класс

По физике элементарных частиц учебник прошелся знатно - видимо, авторы решили, что никому из школьников этот раздел в жизни не пригодится никогда, поэтому и рассказывать его можно как получится. Получилось ужасно.

Ну ладно, б-г с ним с определением, оно не такое уж и корявое. Но стоило бы добавить, что с течением времени у многих частиц, считавшихся элементарными, удалось выявить и описать внутреннюю структуру. Протон и нейтрон тому прекрасные примеры.

Обошлись без уточнений, хорошо. Но дальше началась какая-то совершенно бессмысленная каша из несколько раз повторяющихся фактов, причем, самого главного автор так и не сказал.

Не ищите эту простую и понятную таблицу в учебнике, ее там нет. Там нет даже упоминаний о ней, хотя именно она является основой современной физики элементарных частиц. Таблица эта представляет собой базовую часть концепции, которая носит название Стандартной модели.

Стандартная модель очень хорошо объясняет практически все наблюдаемые эффекты и варианты взаимодействий между частицами, и да - она строится в предположении, что всего в природе существует четыре вида фундаментальных взаимодействий - гравитация, электромагнетизм и два ядерных взаимодействия - сильное и слабое. В 2012 году был обнаружен предсказанный Стандартной моделью бозон Хиггса, после чего модель стала общепринятой. На данный момент в ней не хватает лишь одной теоретически предсказанной частицы - гравитона, но, хоть в его существовании мало кто сомневается, обнаружить гравитон экспериментально пока невозможно. Проведение соответствующих экспериментов находится далеко за пределами возможностей современной техники.

На диаграмме представлены те элементарные частицы, которые физики открыли на данный момент, и элементарными они являются именно в смысле определения, данного в учебнике. Нет тут ни протонов, ни π-мезонов - это все составные частицы. Давайте теперь посмотрим, что нам пытался рассказать автор учебника, учитывая наличие Стандартной модели. Не убирайте далеко эту табличку - понадобится. 

Окей, классифицируем частицы на основании массы покоя. Фотон - да, масса нулевая.

Лептоны. Учебник говорит, что массы лептонов не превосходят массу электрона, смотрим, какие частицы входят в число лептонов, согласно Стандартной модели.

Их три (античастицы не считаем): электрон, мюон и тау-лептон. Плюс существуют три вида нейтрино, соответствующие базовым лептонам - электронное, мюонное и тау-нейтрино, их тоже включаем в список, итого - шесть. Смотрим массы. У нейтрино они такие мизерные, что долгое время эти частицы считались безмассовыми. Сейчас физики все же придерживаются мнения, что масса у нейтрино есть, но точно определить ее пока так и не удалось.

А вот с тремя другими лептонами все намного лучше. Масса электрона известна давно, масса мюона, как видно, из таблицы, в двести раз больше массы электрона. А масса тау-лептона больше массы электрона в три с половиной тысячи раз. Это все лептоны. Автор написал чушь.

Мезоны, в том числе и пионы, элементарными не являются, поскольку состоят из кварков, как и барионы. Но раз так, то различных видов мезонов набирается видимо-невидимо, и массы у них разные, самые тяжелые мезоны по массе превосходят электрон почти в 20 тысяч раз.

Дейтрон, упомянутый в абзаце про барионы, это ядро дейтерия, то есть, протон и нейтрон. Его масса, грубо говоря, равна двум массам протона, то есть, по мнению автора, к барионам относятся частицы с массой от одной до двух протонных. Увы, но самый тяжелый известный барион - прелестный сигма-минус-гиперон - тяжелее протона более чем в шесть раз.

В общем, ничего даже близко похожего на правду, а самое смешное в том, что понятия мезонов, барионов и лептонов совершенно никак с массой не связаны - это все классы частиц, участвующих (или не участвующих) в каких-либо фундаментальных взаимодействиях. Их массы тут вообще никакой роли не играют.

Фундаментально частицы делятся на бозоны и фермионы, эти классы названы по именам великих физиков Шатьендраната Бозе и Энрико Ферми, внесших огромный вклад в развитие квантовой механики. Упрощенно можно считать, что все элементарные частицы "вращаются", хотя в квантовом мире никакого вращения быть не может. Тем не менее, характеристику, описывающую это "вращение", называют спином, она играет важнейшую роль при описании поведения частиц. Все фермионы имеют значение спина, выражаемое полуцелым числом, а бозоны, наоборот, целым. В этом их отличие, от которого отталкивается вся дальнейшая классификация.

Лептонами, например, называют фермионы, которые не участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Барионы - это тоже фермионы, но они, напротив, в сильном взаимодействии участвуют. К ним, в частности, относятся нуклоны, то есть, протоны и нейтроны. Мезоны - это бозоны, участвующие в сильном взаимодействии. Вместе с упомянутыми выше барионами они образуют класс адронов. Ни мезоны, ни барионы элементарными не являются, поскольку состоят из кварков. Барионы содержат нечетное число кварков, мезоны - четное. А пи-мезон или пион - это всего лишь один из представителей класса мезонов, который состоит из одного кварка и одного антикварка.

Резонансы - это, на самом деле, не отдельные виды частиц, а возбужденные состояния других, уже известных. Здесь уместна аналогия с обычным атомом, электрон которого поглотил фотон и перескочил на более высокую орбиталь. Говорят, что атом перешел в возбужденное состояние. Через непродолжительное время фотон переизлучается, электрон возвращается на исходную орбиталь, а атом переходит в основное состояние. То же самое с резонансами, только тут масштабы поменьше, да и взаимодействие не электромагнитное, а сильное ядерное. Так что время жизни резонансов действительно очень мало.

Странные частицы, как и очарованные, элементарными не являются - смотрим на Стандартную модель. Их там нет, зато есть странные и очарованные кварки - они как раз и входят в состав соответствующих частиц. Да, названия кварков иной раз кажутся очень необычными, но вот такая терминология установилась в физике элементарных частиц.

Забавные выводы...

1. Протон и нейтрон даже элементарными давно не считаются, не то что основными. Да и обобщения на счет всего окружающего мира я бы делать поостерегся. Что такое "темная материя" и из чего она состоит пока что неизвестно.

2. Угу... на кварки вон посмотри, чудик. Кроме того, электрический заряд - характеристика электромагнитного взаимодействия. У сильного, слабого и гравитационного тоже есть свои "заряды", так что уточнять надо.

3. Большинство частиц являются резонансами. Сюрприииз. Отсюда и малое время их жизни. Но в табличке, отражающей Стандартную модель, все элементарные частицы стабильны.

4. Да, хотя иногда частица идентична античастице, например, в случае фотона.

Кем, твою мышь? Гелл-Манноном? Это значит, что фамилия лауреата нобелевской премии 1969 года была Гелл-Маннон, а не Гелл-Манн? Ты еще Маммона вспомни.

Классический стиль автора... Сначала излагает какие-то постулаты, а в следующем абзаце их опровергает. Ну так если существование кварков доказано, то и дробный электрический заряд тоже существует. Ну и пусть внутри адрона - там пространство не заканчивается, там еще очень много места. 

Да, и, автор, мы не в Хогвартсе. Что значит - все элементарные частицы могут превращаться друг в друга? Ну давай, преврати фотон в нейтрино. Или электрон в бозон Хиггса. Расскажи, хотя бы в теории, как это превращение возможно.

Можете сказать, что я придираюсь к опечаткам, а я считаю, что это проявление "гуманитарного склада ума". Давление в ядре Солнца в 10 раз меньше, чем указал автор. 200 миллиардов атмосфер - тоже немало, но не два триллиона - один нолик тут лишний.

Ну и, кстати, говоря о звездах, следует учитывать, что в их случае молекулярно-кинетическая теория и всякие там уравнения Менделеева-Клапейрона применимы не всегда. С Солнцем еще худо-бедно теория работает, а вот с белыми карликами уже нет. Это будет видно дальше.

Вы понимаете логику автора? Первый абзац утверждает, что в ядре красного гиганта ядерные реакции не идут. Второй абзац утверждает, что еще как идут, причем, целый зоопарк реакций. Шизофрения, как и было сказано ранее.

А вообще, конечно, надо отдать должное - так рассказать всю теорию эволюции звезд не каждый двоечник сумеет.

Итак, красные гиганты и сверхгиганты не являются звездами Главной последовательности, но когда-то ими были. Сход с последовательности происходит в тот момент, когда в ядре звезды заканчивается водород. В среднем время жизни звезды на Главной последовательности составляет несколько миллиардов лет, но, чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует водород. Солнце - карлик, оно проведет на Главной последовательности примерно 10 миллиардов лет, но однажды водород закончится и у него.

На самом деле водорода будет еще много, но весь он окажется во внешних оболочках Солнца, а в ядре будут содержаться продукты реакции, то есть, в основном, гелий. Ядро - самое плотное и горячее место, условия там подходят для синтеза гелия из водорода, а вот если переместиться выше, то уже все - температура ниже, и энергии недостаточно для преодоления сил электростатического отталкивания между протонами - так называемого кулоновского барьера. У Солнца радиус ядра составляет примерно 150 тысяч километров.

Итак, ядерная реакция в центре звезды постепенно затухает, и ядро разделяется на два слоя. Центр - гелиевый, там реакция не идет, периферия - водородная, там пока все нормально, но гелиевая часть становится все больше, а водородная все меньше.

Дальше возможны два сценария. Первый реализуется в звездах небольшого размера, где горячее ядро формирует конвекционные потоки плазмы, захватывающие все вещество звезды. Это позволяет постоянно "перемешивать" звезду, добавляя в ядро новые порции водорода, и, в итоге, сжечь практически весь имеющийся водород, превратив его в гелий. Зажечь гелий звезда, скорее всего, не сможет, так что ее эволюция закончится на стадии гелиевого белого карлика.

Второй сценарий касается более крупных звезд, в частности, и нашего Солнца. В них между ядром и конвективной зоной существует прослойка, которая называется зоной лучистого переноса. Эта зона мешает водороду из верхних слоев приблизиться к ядру. "Взбаламутить" звезду, чтобы в ядро попала свежая порция водорода из внешних слоев, становится невозможно, так что процесс горения водорода постепенно доходит до границы ядра и зоны лучистого переноса.

На самом деле ядерные превращения в ядре не останавливаются, просто в определенный момент энергии, выделяемой в ходе реакций, становится недостаточно, чтобы противостоять давлению вышележащих слоев, и звезда начинает сжиматься. При сжатии температура плазмы в ядре увеличивается - тут как раз МКТ еще применима, но до тех пор, пока не обнаружится какой-то новый источник энергии, сжатие будет продолжаться. Процесс очень не быстрый, может занять миллиарды лет. Давление увеличилось - загорелся новый слой водорода, сжатие чуть приостановилось, водород выгорел, сжатие продолжилось и так далее. Разумеется, все происходит не ступеньками, а одновременно, но так должно быть понятнее.

Температура в центре ядра при этом повышается, но там гелий, а для того, чтобы он вступил в ядерную реакцию нужны более экстремальные условия, и однажды они наступают.

Реакция превращения трех ядер атома гелия в ядро атома углерода начинается при температуре в 150 миллионов градусов, что в 10 раз выше, чем нынешняя температура в центре Солнца.

Запуск реакции синтеза углерода из гелия дает звезде новый источник энергии - гелия-то в ядре завались. Но эта реакция менее энергоэффективна, да и запасов гелия намного меньше, чем до этого было водорода. Так что в новой стадии звезда пребывает относительно короткое время. Солнце пробудет в таком состоянии около миллиарда лет, после чего гелий закончится, ядро снова сожмется, а внешние оболочки, в основном все еще состоящие из водорода, разлетятся по космосу. Все ядерные реакции в ядре Солнца закончатся, и оно превратится в белый карлик, который будет постепенно остывать еще многие сотни миллиардов лет.

А что если взять очень тяжелую звезду, скажем, в сто раз тяжелее Солнца? Такие звезды в нашей Галактике имеются, например, Эта Киля. Что будет с ней, когда закончится гелий?

К этому моменту ядро звезды будет состоять, в основном из углерода, и, как, наверное, уже понятно, главным является вопрос, можно ли запустить реакцию синтеза новых элементов из ядер атомов углерода.

Оказывается, можно, для этого, правда, требуется температура около 800 миллионов градусов. Разными способами из углерода получаются неон, натрий, магний, кислород и алюминий. Почти все эти реакции идут с выделением энергии, так что звезда еще какое-то время удерживается от сжатия, но это время очень невелико - буквально какие-то сотни лет.

Потом заканчивается и углерод, гравитация снова берет верх, и вся масса верхних слоев звезды обрушивается вниз, перемешивая все оставшиеся в звезде элементы и запуская такие реакции, которые невозможно воспроизвести ни в одной лаборатории. Естественно, в этот момент звезда выглядит очень нестабильной - то сжимается, то вновь расширяется, неравномерно вспыхивает, меняя свою светимость на несколько порядков в течение короткого периода времени. В общем, это уже почти финал.

Звезда становится насыщена различными химическими элементами, начиная от водорода и заканчивая железом. А железо - это конец. После него в таблице Менделеева не существует ни одного элемента, синтез которого шел бы с выделением энергии. Когда в умирающей звезде начинает образовываться железо, термоядерная энергия перестает выделяться. Звезде остается существовать всего несколько часов, а то и минут. Снова происходит уже известный процесс - звезда сжимается и разогревается до десятков миллиардов градусов, но эта дополнительная энергия (а это не что иное, как потенциальная энергия гравитационного поля, превращенная в тепло) поглощается при синтезе железа и других, более тяжелых элементов.

С ростом давления и температуры в звезде синтезируются все новые и новые элементы. Золото, серебро, платина - все драгоценные металлы и не только они возникают в массивных звездах на самых последних этапах их жизни. Правда, даже это не основной их источник. А потом происходит взрыв. Взрыв такой силы, что большая часть вещества звезды разлетается по окрестностям со скоростью до 3 тысяч километров в секунду, а яркость светила увеличивается в миллионы раз. Этот катаклизм называется взрывом сверхновой звезды.

Что остается? Возможны три сценария. Первый - ничего, звезда полностью уничтожается при взрыве. Второй - нейтронная звезда, это, по-видимому, наиболее частый вариант развития событий. Третий - черная дыра. Дальнейшая эволюция нейтронных звезд и черных дыр - это интереснейший, но пока что чисто теоретический раздел астрофизики. Считается, что и те и другие постепенно теряют массу и энергию, но происходит этот процесс крайне медленно. Настолько медленно, что нынешний возраст Вселенной - это мгновение по сравнению с тем, сколько может просуществовать черная дыра. Но ни в нейтронных звездах, ни, тем более, в черных дырах никакие ядерные реакции не идут. Оба этих объекта представляют собой очень экзотические состояния вещества, при которых определяющую роль играют квантовомеханические эффекты.

Вот примерно так выглядит звездная эволюция. Теперь перечитайте абзац из учебника, сравните и выбросьте книгу на помойку.

Што?? О, гспди... Теперь Млечный Путь - это созвездие, а не галактика... Все, приехали. Да и сама картинка не выглядит сильно впечатляющей - мне, например, совершенно непонятно, какая из точек является изображением белого карлика. Это очень маленькие и тусклые звезды, невооруженным взглядом их увидеть невозможно. Хотя, в созвездии Млечный Путь возможны всякие чудеса, в том числе и описанные в учебнике. А что на самом деле?

Белый карлик обычно имеет массу, сравнимую с солнечной, размер, сравнимый с Землей, и плотность в несколько тонн на кубический сантиметр. Пройдя стадию красного гиганта, Солнце закончит свою жизнь именно в виде белого карлика, который будет постепенно остывать многие миллиарды лет.

Минимальная масса небесного тела, при которой оно вообще способно поддерживать стабильную термоядерную реакцию в ядре, составляет примерно 8 процентов от массы Солнца . Максимальная масса звезды, при которой она в итоге станет белым карликом - около 10 масс Солнца (автор, ау, ты эту звезду к легким относишь?). Все звезды в указанном диапазоне масс, а это 97 процентов звезд нашей Галактики, закончат свою жизнь в стадии белого карлика.

Химический состав карлика зависит от его массы. В маломассивных звездах горение гелия с превращением его в углерод длится недолго, и звезда действительно сохраняет значительное количество гелия. Выше я описал типичную эволюцию звезды типа нашего Солнца, приводящую к образованию кислород-углеродного белого карлика. Это, по всей видимости, наиболее распространенный вид белых карликов. 

А если изначально звезда была массивной, то в ней после гелия успевает выгореть даже часть углерода, и в составе появляется значительное количество кислорода, неона и магния, гелий же остается только во внешних оболочках.

Белый карлик обладает очень интересным свойством, которое можно объяснить только с позиций квантовой механики - его стабильность поддерживается не ядерными реакциями, а давлением вырожденного электронного газа. Но квантовая механика, принцип неопределенности Гейзенберга, принцип запрета Паули - это уже за рамками школьной физики.

Механизм образования нейтронной звезды я описал выше - он очень отдаленно похож на то, что описано в учебнике, но так и быть. Переходим сразу к черным дырам.

Начнем с картинки. Это не рождение черной дыры, а фотография обычной спиральной галактики, которая повернута к нам ребром. В крайнем случае - рисунок аккреционного диска вокруг дыры. Красиво и абсолютно не соответствует смыслу текста.

Яркие лучи, исходящие из центра галактики, где и находится черная дыра, называются джетами, механизм их образования довольно неплохо изучен. Если коротко, то по орбите вокруг уже давно существующей черной дыры вращается большое количество звезд, газа, пыли и так далее. Дыра воздействует на них своим притяжением, так что постепенно вещество смещается ближе к дыре. Если этого вещества слишком много, а черная дыра имеет сравнительно небольшие размеры, то упасть в дыру все вещество чисто физически не успевает. Здесь вступают в игру сложные газодинамические процессы, которые приводят к возникновению джетов. В результате с полюсов черной дыры в противоположных направлениях на почти световых скоростях вырываются потоки заряженных частиц, которые при этом излучают в самых разных диапазонах. Вся эта конструкция, включающая черную дыру, диск и джеты, называется квазаром.

Стоит отметить, что черная дыра в данном случае относится к классу сверхмассивных, ее масса составляет, как минимум, несколько миллионов солнечных. Чего ради автор пришпилил эту картинку к тексту, описывающему звездную эволюцию - непонятно.

Если в результате коллапса массивной звезды и образуется черная дыра, то ее масса будет измеряться десятками солнечных, но никак не миллионами. Такие дыры в момент рождения не формируют джетов - у них вокруг для этого попросту нет вещества, ведь все оно на гигантской скорости летит прочь от новорожденной черной дыры. Процесс рождения дыры описан выше, и выглядит он как взрыв сверхновой, на квазар это совершенно непохоже. А если принять во внимание релятивистское замедление времени на границе черной дыры, то увидеть полностью процесс рождения дыры извне просто невозможно.

Это шулерство, думаю, что автор это и сам знает. Формулы ньютоновской механики при движении со скоростями, близкими к скорости света, да еще и в гравитационном поле черной дыры попросту неприменимы. Они там не работают по очень веским причинам.

Я не призываю рассказывать школьникам подробности Общей теории относительности, но хотя бы качественно объяснить ее основные идеи стоило бы, ведь причина, по которой свет остается внутри черной дыры, заключается отнюдь не в величине второй космической скорости.

Вторая космическая скорость пригодна для вычислений в том случае, когда тело движется по инерции. Если же представить себе длинный канат, спущенный в лапласовскую черную дыру, то по нему потенциального путешественника можно вытащить наружу со скоростью черепахи - на него постоянно воздействует сила натяжения каната, никакой инерции тут нет, и превышать скорость света совершенно не обязательно. Проблема в том, что из реальной черной дыры по канату не выбраться, даже если забыть про экстремальную температуру, излучение и так далее.

Чтобы понять идею, ответим на интересный вопрос. Предположим, что небесное тело находится в процессе превращения в черную дыру, но пока еще не достигло размеров гравитационного радиуса, иначе именуемого радиусом Шварцшильда. В этот момент путешественник на поверхности тела включает фонарик. На космической станции вдали от дыры находится наблюдатель, который принимает световой сигнал. Вопрос: с какой скоростью будет двигаться свет, принятый наблюдателем?

Ответ известен: свет будет двигаться со скоростью света, поскольку ни с какой другой скоростью свет двигаться не может. Это один из важнейших постулатов теории относительности. Получается, что до определенного момента никаких изменений не видно, а при пересечении гравитационного радиуса свет резко пропадает.

Нет, неверно. Ключевая идея Общей теории относительности (ОТО) в том, что массивные тела воздействуют на пространство-время. В ньютоновской физике и пространство, и время существуют независимо от происходящих в них событий, в эйнштейновской физике все иначе. Гравитационного притяжения, согласно Эйнштейну, вообще не существует, вместо этого массивные тела воздействуют на пространство, и результатом взаимодействия является притяжение, ведь пространство под действием массы искривляется. Это явление носит название гравитационного колодца. К примеру, Солнце своей массой искривляет пространство Солнечной системы, и планеты, которые в свободном состоянии двигались бы по прямой, начинают двигаться по замкнутым орбитам. Но это не Солнце их притягивает к себе, это пространство под воздействием большой массы искривилось таким образом, что прямая линия стала вдруг замкнутым эллипсом.

Чушь? Бред? Да, сто десять лет назад многие ученые реагировали именно так, но теперь это общепризнанная теория. Сотни тысяч вычислений и проверок, проделанных за это время, подтвердили, что результаты и эффекты, предсказанные ОТО, имеют место, несмотря на их необычность. Теперь мы пользуемся этими результатами, иной раз даже не задумываясь. Например, GPS/ГЛОНАСС-навигация без учета релятивистских эффектов была бы попросту невозможна. Так что да - масса искривляет пространство и время, как бы странно это ни выглядело.

Черная дыра - это масса, причем, значительная, ее искривляющий пространство эффект очень силен. Настолько, что внутри черной дыры просто не существует траекторий, ведущих "наружу" или хотя бы вокруг дыры. Вот так вот. Чем ближе к гравитационному радиусу, тем спасительных траекторий меньше, и тем они длиннее. Фотоны от фонарика, чтобы достигнуть наблюдателя, по мере приближения к гравитационному радиусу будут проходить все большие расстояния, теряя при этом энергию, и свет для наблюдателя будет становиться все более и более красным - длинноволновым. На гравитационном радиусе время распространения света до наблюдателя станет бесконечным.

Пространство (и время), как говорят, "затягивается" в черную дыру. Куда бы ни стремился двигаться путешественник, находясь под гравитационным радиусом, какие бы силы ему в этом ни помогали - от каната до ракетного двигателя - там просто нет ни одной траектории, которая бы вывела его назад. Пространство сломано, оно изогнуто так, что все дороги ведут только к центру черной дыры и никуда более, притом что видеть пространство обычной Вселенной путешественник будет без проблем, хотя и в необычном ракурсе. А вот его снаружи уже будет не видно.

Да, и по странному совпадению минимальная орбита вокруг черной дыры, после которой возврата назад нет, определяется формулой радиуса Шварцшильда, которая приведена в учебнике. Впрочем, странность объяснима - современная физика утверждает, что движение со сверхсветовой скоростью эквивалентно перемещению во времени в прошлое, так что если бы путешественник нашел способ двигаться быстрее света, то смог бы вернуться в прошлое - в ту точку, когда он был еще снаружи. Но раз путешественник ограничен скоростью света, то она естественным образом возникает в расчетах.

Вот только вывод формулы гравитационного радиуса через законы классической механики - это шулерство, тем более, что формула верна только для случая сферически симметричной невращающейся черной дыры.

Рождение звезды из газо-пылевого облака редко происходит в изоляции. Как правило, в одном облаке на свет появляются сразу десятки, если не сотни звезд, и происходит это хоть и не одновременно, но более-менее в одну эпоху. Взять вот хоть звездное скопление Плеяды - сейчас оно состоит из семи крупных и ярких звезд, появившихся на свет в одном облаке. Постепенно они теряют связи друг с другом и разлетаются в разные стороны. Солнце тоже появилось на свет в подобном облаке, но никого из "сестер Солнца" астрономы пока не нашли. Многим везет больше - две звезды, родившиеся в общей "колыбели", оказываются настолько сильно связаны гравитационно, что дальше весь свой эволюционный путь проделывают вместе.

Когда примерно в 1988 году я читал книгу В.М. Липунова "В мире двойных звезд" из серии "Библиотечка Квант", Мицар и Алькор считались стандартной парой - абсолютно классическим примером двойной звезды. Одно время астрофизики вообще скептически оценивали возможность существования тройных и, тем более, кратных звездных систем. Считалось, и Липунов это в своей книге описал, что орбиты звезд в таких системах неустойчивы, и один из компонентов рано или поздно должен будет покинуть систему.

Но вышло иначе, и тройных систем в космосе оказалось завались. Даже ближайшая к земле звездная система Альфа Центавра в итоге оказалась тройной. А что Мицар с Алькором? Мицар представляет собой систему из четырех звезд, Алькор - двойная звезда, итого в систему Мицар-Алькор входит шесть (!) звезд. Окончательно этот факт был установлен в 2009 году и тайной не является, но автор учебника не читатель, автор - писатель.

Если и можно более криво и некорректно описать механизм возникновения вспышек, которые по историческим причинам именуются "новыми" звездами, то надо будет очень сильно постараться.

Как сейчас известно, большая часть звезд, по крайней мере, в нашей Галактике, являются компонентами двойных или кратных систем, то есть, гравитационно связанных между собой звезд, обращающихся вокруг общего центра масс. В таких системах вокруг каждой звезды существует область пространства, называемая полостью Роша. Материя, находящаяся внутри полости Роша звезды, ощущает ее гравитационное влияние сильнее, чем влияние других звезд системы. В двойной системе полости Роша звезд образуют нечто вроде восьмерки или гантели. Пока звезда находится внутри полости Роша, ее вещество полностью контролируется гравитацией звезды. 

Но звезды эволюционируют и однажды нормальная "звезда типа нашего Солнца" перестает быть нормальной и переходит в стадию красного гиганта - об этом подробно написано выше.

В этот момент сжатие звезды сменяется расширением, поскольку вновь запустившиеся в ядре ядерные реакции обеспечивают звезду значительным количеством дополнительного тепла. Но это уже не "звезда типа Солнца". Звезда увеличивается в размерах в десятки и сотни раз. С Солнцем это тоже однажды произойдет - предполагается, что на стадии максимального расширения поверхность Солнца достигнет орбиты Земли, то есть, диаметр звезды с нынешних полутора миллионов километров увеличится до трехсот миллионов.

Красный гигант уже может не поместиться в свою полость Роша, в этом случае его вещество начнет перетекать к соседу, такой процесс называется аккрецией.

В учебнике предполагается, что сосед (в научной литературе его называют компаньоном) является белым карликом. Вообще говоря, это не обязательное условие, но довольно часто встречающееся. Эта стадия эволюции звезды часто является финальной. Одиночный белый карлик не способен поддерживать ядерные реакции в своем ядре - водорода и гелия там давно нет, а для запуска реакции между ядрами углерода, кислорода и других тяжелых элементов звезде не хватает массы. Так что это финал.

Но совсем другое дело, когда белый карлик входит в состав двойной системы. Здесь возможно несколько сценариев, которые зависят от изначальной массы карлика, массы красного гиганта, массы вещества, перетекающего от гиганта к карлику, его химического состава и так далее.

Простейший случай - однократная новая. Красный гигант переполняет свою полость Роша на стадии максимального расширения, относительно небольшое количество вещества при этом перетекает к белому карлику. Сразу оно на звезду не падает из-за наличия вращательного момента, поэтому вокруг белого карлика образуется диск, называемый аккреционным. Этот диск содержит практически все вещество, которое был способен отдать красный гигант - он прошел стадию роста и теперь сжимается обратно, а его внешние оболочки рассеиваются в космосе, частично пополняя и аккреционный диск.

Рано или поздно, вещество диска упадет на белый карлик. Поскольку оно состоит из внешних слоев красного гиганта, то это, в основном, водород. При той массе и плотности, которыми обладает карлик, вещество диска обрушивается на поверхность звезды с чудовищной скоростью, естественно, при этом разогреваясь до миллионов градусов. Запускается ядерная реакция горения водорода, но не в ядре звезды, а в ее поверхностном слое. Начало реакции сопровождается колоссальной вспышкой, светимость звезды на время увеличивается в десятки тысяч раз, что и наблюдается астрономами как "новая" звезда.

Вспышки по разным причинам могут повторяться. Например, запуск реакции горения водорода приводит к взрыву, который выбрасывает внешние слои белого карлика в космос, и аккреционный диск, по сути, формируется заново. Потом он снова падает, взрывается и так далее. Процесс, разумеется, не бесконечный, но может быть довольно продолжительным.

Еще может случиться так, что красный гигант находился не на пике расширения, а лишь в начальной его стадии. Лишившись части вещества, он снова ушел внутрь своей полости Роша, но расширение продолжается, и через какое-то время гигант снова начинает аккрецию вещества на белый карлик, соответственно ситуация воспроизводится заново. Подобные сценарии называются "повторяющимися новыми".

Наконец, возможен самый завораживающий и катастрофический сценарий. Белые карлики имеют предел массы, равный примерно 1.4 массы Солнца - это так называемый предел Чандрасекара. Более тяжелая звезда при отсутствии ядерных реакций не способна противостоять силам гравитации. Они настолько велики, что способны буквально сломать вещество, вдавливая электроны в ядра. Протоны взаимодействуют с электронами, образуются нейтроны, и на месте белого карлика появляется нейтронная звезда размером с город и массой в полтора Солнца. Естественно, весь процесс сопровождается колоссальным взрывом.

Если масса исходного карлика была близка к пределу Чандрасекара, то, получив дополнительное вещество от компаньона, карлик вполне может пересечь этот предел. В этом случае мы довольно скоро получим то, что называется взрывом сверхновой, а если быть точным, то сверхновую типа Iа. Светимость такой вспышки превышает солнечную примерно в 5 миллиардов раз.

То есть, автор сначала нарисовал диаграмму Герцшпрунга-Рессела, на которой явно видна главная последовательность и отдельно стоящие красные гиганты. Потом он рассказал, что красный гигант - это эволюционная стадия звезды, и светимость в этот момент у звезды выше, поскольку размер больше. А теперь он спрашивает, почему светимость звезд со временем не меняется. Шизофреник.

Меняется светимость. Оценки показывают, что светимость Солнца за последний миллиард лет выросла примерно на 10 процентов. Кстати, имеет место изменение светимости и в более короткие периоды времени, например, светимость варьируется в пределах 0.1 процента в течение 11-летнего цикла активности Солнца. 

Белый, с**а, кролик. Knock-knock, Neo. Follow the white rabbit... Я плакалъ.

Чуть выше, описывая белый карлик, я сказал, что квантовая механика выходит за рамки школьной физики. Но автор решил, что в самый раз. Думаю, что ни один одиннадцатиклассник не в курсе, что такое вырожденный электронный газ - у нас ведь всего три агрегатных состояния вещества, правда?

Учебник тоже определения не дает, но вот поди ж ты - оказывается, что именно давление вырожденных электронов препятствует сжатию белого карлика. Это правда, но придется вместо автора рассказать механику процесса, а иначе что это за наука.

В обычной звезде вещество находится в состоянии ионизированной плазмы. Ионизация атома - это процесс отрыва от ядра одного или нескольких электронов за счет сообщения ему дополнительной энергии. Тепло - это энергия, в звезде тепла много, поэтому практически все атомы полностью ионизированы, то есть, их электронные орбитали пусты, а электроны движутся отдельно от ядер. Такое сообщество электронов называется электронным газом.

Но вот ядерные реакции постепенно затухают, и звезда начинает сжиматься. Температура при этом снова растет, но гравитация побеждает, увлекая внешние слои звезды ближе к центру. В ходе сжатия плотность вещества увеличивается и, наконец, становится такой, что электроны уже испытывают большие трудности при перемещении внутри вещества. Во-первых, будучи отрицательно заряженными частицами, электроны испытывают взаимное отталкивание, но это еще  полбеды - гравитация в состоянии его преодолеть. А вот чего гравитация преодолеть не может, так это запрет Паули. С этого момента классическая физика заканчивается, и начинается квантовая механика.

Один из главных законов квантовой механики говорит, что чем точнее мы знаем местоположение частицы, тем меньше у нас информации о ее импульсе. Это утверждение (оно имеет и строгую математическую форму) известно как принцип неопределенности Гейзенберга. Сжимая вещество белого карлика до огромной плотности, гравитация оставляет электронам очень мало места для перемещения - их местоположение становится определено с большой точностью. Значит разброс значений их импульсов становится намного шире - от почти нулевых значений до релятивистских. Законы квантовой механики, хоть и странные, утверждают, что в такой ситуации все низкоэнергетические состояния по всему объему звезды заняты... как так? А вот так. Допустим мы берем электрон и хотим поместить его в произвольную точку внутри звезды. Электрон должен обладать импульсом, причем, импульс не может быть каким угодно. У него есть минимально возможное значение, и расти он может только дискретно. Хорошо, может ли наш электрон иметь минимальное значение импульса? Оказывается, что нет - совсем рядом уже находится такой электрон. Мешает запрет Паули, который говорит, что два идентичных электрона не могут находиться рядом. Черт, сложно квантовую механику на пальцах объяснять, но как-то так.

А может ли электрон иметь импульс чуть побольше? Тоже нет, поскольку и такой электрон рядом тоже есть. А еще больше? Та же история. В общем, в белом карлике нет места электронам с низкой энергией - все энергетические уровни заняты. Такое вещество и называется вырожденным электронным газом. Очень значительная часть электронов в этом газе просто вынуждена летать со скоростью, близкой к скорости света, поскольку снизить импульс им не дают законы квантовой механики. И даже если звезда остынет, это никак не повлияет на ситуацию, поскольку давление, создаваемое электронами, от температуры не зависит. Давление формируется за счет импульсов релятивистских электронов, которые возникают из-за запрета Паули, который начинает играть существенную роль по мере увеличения давления. Давление вырожденного электронного газа способно противостоять гравитации, и белый карлик остается стабильным в течение многих сотен миллиардов лет после окончания всех ядерных реакций.

Ну и раз уж мы дошли до этого момента, ответим на вопрос, а что будет, если, даже двигаясь со скоростями света, электроны не смогут противостоять гравитации? Это ведь просто значит, что звезда оказалась слишком тяжелой, правильно? Именно так. В этой ситуации начнется поглощение электронов ядрами (они ж ведь никуда не делись) с образованием нейтронов, и на свет появится нейтронная звезда. Ее плотность выше плотности белого карлика на много порядков, но и она стабилизируется похожим образом. Только вместо электронов нейтронную звезду удерживает от коллапса давление вырожденного нейтронного газа.

Автор уже однажды пыжился объяснить, что такое Млечный Путь - в учебнике для 9 класса, но тоже вышло не ахти. Теперь он добавил в текст немного мифологии. Браво, чо...

Древнегреческие мифы, значит... Геркулес - это, вообще-то, древнеримский персонаж, в Греции аналогичного товарища звали Гераклом. То же самое с Юноной - это богиня из древнеримской мифологии, в Греции ей соответствует Гера.

Эту тему я тоже разбирал в учебнике для 9 класса, здесь лишь повторюсь, что далеко не все галактики разбегаются друг от друга. Ближайшая к нам крупная галактика - Туманность Андромеды - наоборот приближается к нам.

Секрет в том, что в нынешнюю эпоху действительно происходит расширение Вселенной, то есть, между любыми двумя точками пространства постоянно возникает новое пространство. Скорость увеличения расстояний во Вселенной и есть постоянная Хаббла, по разным оценкам она равна от 68 до 75 км/с на мегапарсек. Это значит, что каждую секунду каждый мегапарсек расстояния во Вселенной увеличивается на 75 километров.

Это очень мало и зачастую не компенсирует обычного гравитационного притяжения. Галактика Андромеды находится от нас на расстоянии 2.5 миллиона световых лет, то есть, примерно 700 килопарсек, стало быть, расстояние между нами за счет космологического расширения каждую секунду увеличивается примерно на 50 километров. А гравитационное притяжение между Млечным Путем и Андромедой заставляет их двигаться навстречу друг другу со скоростью 170 км/с, что в сумме дает скорость сближения галактик примерно 120 км/с.

Космологическое расширение заметно на действительно гигантских расстояниях, исчисляемых миллиардами световых лет. А для относительно близких галактик этот эффект полностью нивелируется гравитационным притяжением, и далеко не все галактики имеют красное смещение. Та же Андромеда закономерно демонстрирует обратный эффект, называемый голубым смещением.

Никто, правда, не может гарантировать, что в будущем ситуация сохранится. Уже давно есть обоснованные сомнения, что постоянная Хаббла не меняется со временем. А открытие ускоренного расширения Вселенной просто поставило астрономов в тупик - теперь вообще никто понимает, чего ждет Вселенную в  будущем.