Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (14) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Червени гиганти и тъмни спътници

Разликата между планетите и звездите е много по-дълбока. Тя не се крие само в това, че планетите са по-малко масивни от звездите или пък че планетите са студени и тъмни, а звездите — горещи и блестящи.

Планетите се намират в състояние на глобално статично равновесие. За една планета това равновесие (между свиващото действие на гравитационно привличане и разширяващото действие на електромагнитното отблъскване) се установява веднъж завинаги. Доколкото знаем, ако няма външни влияния, то се запазва за вечни времена. Ако си представим, че Земята е сама във Вселената, тя ще замръзне бързо и ще стане безжизнена, но нейната физична структура ще си остане, същата най-вероятно завинаги.

А звездите се намират в състояние на динамично равновесие. За да запази една звезда структурата си, нещо вътре в нея непрекъснато трябва да се променя. Разбира се, насочената навътре гравитация като цяло не се променя, но дължащото се на температурата в центъра на Слънцето разширяване, уравновесяващо гравитацията, зависи от ядрените реакции, при които се поглъща водород и се произвежда хелий. Слънцето остава такова, каквото е, само защото с изключително постоянство в продължение на милиарди години всяка секунда 600 000 000 000 kg водород се превръщат в 595 800 000 000 kg хелий^[1].

За щастие количеството водород в Слънцето е толкова голямо, че дори при този темп на превръщане не трябва да се страхуваме за нашето близко бъдеще. Слънцето изгаря водород в своята ядрена пещ вече 5 милиарда години и при все това е останало достатъчно за поне още 5–8 милиарда години.

Но дори тези 5–8 милиарда години не са цялата вечност. Какво ще стане, когато се изчерпи водородът?

Дотолкова, доколкото астрономите могат да кажат, изследвайки ядрените реакции и природата на различните звезди, които те виждат, изчерпването на водорода е прелюдия към глобални промени в структурата на звездите.

Когато например Слънцето изразходва водорода в центъра си и натрупа там хелий, ядрото му ще се свие, защото по-тежките хелиеви ядра генерират по-мощно гравитационно поле. Ядрото ще стане по-плътно и по-горещо. Температурата на ядрото ще започне да се покачва рязко и допълнителната топлина ще принуди външните области на Слънцето да се разширят неимоверно.

Въпреки, че тогава общата топлинна енергия на външните области на Слънцето ще бъде значително повече, отколкото е сега, тя ще бъде разпределена върху много по-обширна повърхност. Всеки участък от повърхността ще получава по-малко топлина, отколкото сега, и новата повърхност ще бъде по-студена от сегашната. И ако в момента Слънцето има повърхностна температура 6000°C, то повърхността на разширеното Слънце едра ли ще се нагрее повече от 2500°C. При тази по-ниска температура то ще свети с червена светлина. Това съчетание от огромни размери и рубиново излъчване е дало названието на този стадий от живота на звездите — червен гигант. Съществуват звезди, които вече са достигнали стадия „червен гигант“, например Бетелгейзе и Антарес.

Червеният гигант, в който ще се превърне нашето Слънце, ще се разшири достатъчно, за да погълне орбитата на Меркурий и може би дори тази на Венера.^[2] Земята тогава ще бъде напълно необитаема, животът на нашата планета ще стане невъзможен още в самото начало на разширяването на Слънцето. (Може би тогава човечеството, ако все още съществува, ще напусне Земята и ще си потърси нов дом на някоя планета, обикаляща около друга звезда, или на специално построени колонии далеч в космическото пространство.)

Когато Слънцето достигне максималното си разширяване като червен гигант, то вече ще е изгорило и последните остатъци от водорода си. Обаче тогава центърът на Слънцето ще е станал достатъчно горещ (най-малко 100 000 000°C), за да накара атомите на хелия, които са били образувани от водорода през изминалите дотогава еони, да се слеят в по-големи ядра, а те пък от своя страна да се слеят в още по-големи ядра, и така нататък. Накрая ще се образуват ядра на желязото, състоящи се от 26 протона и 30 неутрона.

Енергията, получена в резултат на този процес на последователно уголемяване на ядрата, е само около 6% от енергията, получена преди това в процеса на сливането на водородните ядра. След образуването на желязото процесите стигат до задънена улица — не може да се получи повече енергия посредством ядрени реакции.

Затова след изразходването на водорода и след достигането на максимално разширяване на червения гигант не му остава повече от един милиард години живот (може би дори значително по-малко) като обект, поддържан от протичането на ядрени реакции.

След като ядрените реакции отслабнат и се прекратят, не остава нищо, което да може да се съпротивлява на насоченото към центъра на звездата неизтощимо привличане на гравитационното поле, създадено от собствената маса на червения гигант. Гравитацията е изчаквала милиарди години, действувайки търпеливо и неуморно, докато съпротивата срещу нея не отмре окончателно, и на раздутото Слънце, както и на всеки друг червен гигант, не му остава друг изход, освен да се свие.

Това свиване ни отвежда направо на магистралния път към черните дупки. По този път има две места, където трябва задължително да спрем, за да можем да продължим по-нататък.

Първата спирка по този път започва с разказа за немския астроном Фридрих Вилхелм Бесел (1784–1846). Той бе един от многото, които се опитваха да измерят разстоянията до звездите, и стана един от първите, който успя да направи това.

Звездите имат свое характерно движение (собствено движение), но то, разбира се, ни се струва незабележимо поради изключително големите разстояния до тях. (Помислете колко по-бавно изглежда движението на един самолет високо в небето в сравнение с друг, който лети доста по-ниско).

Освен собственото движение ние можем да забележим, че звездите сякаш се движат и поради промяната на ъгъла, под който ги виждаме от Земята, обикаляща по елиптичната си орбита около Слънцето. Тъй като Земята се движи именно по този начин около Слънцето, звездата би трябвало да опише като отражение на това движение една мъничка елипса в небето (при условие, че се избавите от влиянието на собственото й движение и от другите странични ефекти). Колкото звездата е по-далеч, толкова по-малка е елипсата. Ако измерим чрез наблюдения с телескоп ъгловите размери на тази елипса (наречени паралакс), ще определим разстоянието до звездата.

През 1838 г. Бесел обявил, че е решил задачата по определянето на разстоянието до една доста слаба звезда, наречена 61 Cygni^[3]. Оказало се, че 61 от Лебед се намира на около 150 трилиона километра от Земята. Дори светлината, която се движи със скорост 299 792,5 километра в секунда, не може да измине това гигантско разстояние бързо. На светлината са й необходими 11 години, за да пропътува от тази звезда до нас. Следователно 61 от Лебед се намира на разстояние 11 светлинни години от нас.

Бесел продължил да се опитва да определя разстоянието до други звезди и се спрял на звездата Сириус, която по множество причини би трябвало да е по-близка до нас от 61 Лебед. Една от причините е, че Сириус е най-бляскавата звезда на небето и тази яркост може да се дължи на нейната относителна близост.

Бесел нощ след нощ внимателно изучавал положението на Сириус и забелязал начина, по който звездата изключително бавно се движи на фона на другите звезди, следвайки хода на собственото си движение, което е по-голямо от средното за звездите. Той очаквал, че това движение ще доведе до отмествания, които по някакъв начин ще формират елипса в резултат на движението на Земята около Слънцето. Такава елипса наистина имало, но той открил, че върху нея се наслагва вълнообразно движение, което няма нищо общо с начина, по който Земята се движи около Слънцето.

След внимателен анализ на това загадъчно движение на Сириус Бесел стигнал до извода, че звездата се движи по своя собствена елипса и извършва една обиколка по тази елипса за около 50 години.

Единственото нещо, което може да накара една звезда да се движи по такава елипса, е някакво неизвестно дотогава гравитационно поле. По времето на Бесел, както впрочем и по наше време, не било известно нищо друго, което може да бъде причина за такова движение. Нещо повече, такова гравитационно поле, което е достатъчно силно, за да промени пътя на една звезда и да я накара да опише такава елиптична орбита, която може да се забележи и измери от голямо разстояние, може да бъде породено единствено от достатъчно голяма маса. А такава маса може да има само някаква все още неизвестна звезда.

Бесел не могъл да види нищо в околностите на Сириус, което би могло да послужи като източник на гравитационно поле, но все пак там трябвало да има такъв източник. В крайна сметка той решил, че някъде на подходящо място там се намира някакво вещество с голяма маса, но това вещество трябва да е скрито в звезда, която не свети, а е тъмна. Това би могло да бъде например гигантска планета с размерите на звезда. От този момент нататък астрономите започнали да говорят за „тъмния спътник“ на Сириус.

Бесел продължил изследванията си и забелязал, че друга една ярка звезда — Процион — също има подобно вълнообразно движение и той направил извода, че тя също трябва да има тъмен спътник. Изглеждало дори, че тъмните спътници са достатъчно разпространени, но този факт се забулвал от невъзможността тези тъмни спътници да се наблюдават директно.

Днес ние бихме се въздържали да направим такова заключение. Сега ние знаем, че всеки обект с маса на звезда трябва да запали в недрата си ядрени реакции и да блесне подобно на нашето Слънце. За да има едно небесно тяло маса на звезда и да остане при това несветещо, трябва да се удовлетвори цяла група от условия, които са много различни от тези, характерни за нашето Слънце.

Обаче за Бесел и за неговите съвременници тъмните спътници не са изглеждали никак загадъчни. Според тях звездата може да престане да свети по някакви причини. Тя би могла да изчерпи запасите си от енергия (каквито и да са те, та нали Бесел не е могъл да знае за съществуването на ядрените реакции) и да продължи да се движи в пространството толкова голяма, колкото е била и по-рано и със също такова силно гравитационно поле, каквото е било винаги, но да бъде вече студена и тъмна.

Би ли могъл Бесел да предположи какви странни обекти е открил? Естествено той не е могъл и да подозира за връзката на тези обекти с червените гиганти, тъй като по негово време дори и във фантазията си хората не са могли и да си представят такава връзка.