Введение: Голливудский сценарий против реальности
Идеальное утро — это когда лучи теплого света касаются вашего лица, где-то вдалеке поют птицы, и жизнь кажется прекрасной и вечной. А теперь представьте обратное: наша звезда, источник всего живого, в одночасье превращается в небольшую, невидимую точку, из которой ни свету, ни даже информации не вырваться наружу. Этот апокалиптический образ любят рисовать писатели-фантасты и создатели фильмов-катастроф.
Однако реальная астрофизика суха и непреклонна: Солнце не станет черной дырой. Ни сегодня, ни через миллиарды лет. И для этого существуют настолько фундаментальные причины, что их невозможно обойти даже самой буйной фантазии. Чтобы понять это, нам придется разобраться в хитросплетениях ядерного синтеза, квантовой механики и теории относительности.
Давление внутри звезды против силы тяжести
В самом сердце нашей звезды, где температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в сотни миллиардов раз превышает земное, идет невидимая война. Ежесекундно 600 миллионов тонн водорода превращаются в 596 миллионов тонн гелия. Примерно 4 миллиона тонн массы-эквивалента при этом превращаются в колоссальное количество энергии согласно знаменитой формуле Эйнштейна:
E = mc²
Энергия, выделяемая при ядерном синтезе, нагревает плазму и поддерживает высокое внутреннее давление, которое противостоит гравитации, не позволяя звезде сжаться. Одновременно с этим невероятная сила гравитации, а масса Солнца в 330 000 раз больше Земли, сжимает звезду, стремясь удержать ее вещество в компактном состоянии.
Целых 4,5 миллиарда лет эти две силы находятся в состоянии гидростатического равновесия, при котором давление внутри звезды в среднем уравновешивает действие гравитации. Это как перетягивание каната, где соперники абсолютно равны. Но топливо в ядерной печи не бесконечно.
Роковой предел: почему масса — это судьба
Когда водород в ядре закончится, равновесие нарушится. Гравитация начнет побеждать, и звезда сожмется. Но как именно она сожмется зависит прежде всего от ее массы и от того, каким будет оставшееся после эволюции ядро.
В астрофизике есть два особенно важных числа, которые помогают понять судьбу компактных звездных остатков:
- Предел Чандрасекара (1,4 массы Солнца). Это максимальная масса холодного ядра, которое может существовать за счет давления вырожденных электронов. Электроны подчиняются квантовому принципу запрета Паули: они не могут находиться в одном состоянии, и даже при абсолютном нуле они создают давление, противостоящее гравитации. Если масса белого карлика приближается к этому пределу, электронного давления уже недостаточно для устойчивости. Дальнейшая судьба зависит от состава и условий внутри звезды: например, углеродно-кислородный белый карлик может подвергнуться термоядерному разрушению.
- Предел Оппенгеймера — Волкова это не абсолютно точное число, а оценка максимальной массы нейтронной звезды, зависящая от свойств сверхплотной материи. Обычно речь идет о нескольких массах Солнца. Если масса остатка превышает максимальную устойчивую массу, давление внутри нейтронной звезды уже не способно остановить гравитационный коллапс, и может образоваться черная дыра.
Запомните эти цифры. Теперь посмотрим на наше Солнце.
Медленная смерть желтого карлика
Наша звезда — типичный желтый карлик. Его масса хоть и велика по земным меркам, но по звездным меркам это средненький, даже скромный показатель.
Через 4–5 миллиардов лет водород в центре Солнца выгорит окончательно. Звезда начнет эволюционировать: она превратится в красного гиганта, а ее внешняя оболочка раздуется настолько, что поглотит Меркурий и Венеру (а возможно, и Землю). Затем, когда температура в ядре достигнет 100 миллионов градусов, загорится гелий. В реакциях тройного альфа-процесса (три ядра гелия сливаются в одно ядро углерода) начнется новый этап термоядерной жизни.
Но это не спасет звезду. Внешние слои Солнца будут сброшены в космос, образовав прекрасную и светящуюся планетарную туманность. А в центре останется обнаженное, сверхплотное ядро, так называемый белый карлик.
Вот здесь кроется главный ответ на наш вопрос. Масса этого оставшегося ядра составит всего 0,5–0,6 массы нынешнего Солнца. Это меньше половины! При такой небольшой(по звездным меркам) массе гравитация оказывается слишком слабой, чтобы преодолеть квантовое давление вырожденных электронов. Сжатие остановится на радиусе примерно 7000 километров (размер Земли), и звезда застынет в этом состоянии, остывая миллиарды лет.
Математика невозможного: радиус Шварцшильда
У физиков есть понятие гравитационного радиуса, или радиуса Шварцшильда. Это та черта, до которой нужно сжать любую массу, чтобы она стала черной дырой. Для нашего Солнца этот радиус составляет всего 3 километра.
Чтобы Солнце превратилось в черную дыру, его нужно сжать с нынешних 700 000 километров до 3 километров. Но здесь важен не вопрос о том, сколько энергии пришлось бы «выделить» для такого сжатия. Гораздо важнее, что у Солнца нет достаточной массы и физического механизма, который заставил бы его продолжить гравитационный коллапс после того, как оно станет белым карликом.
Электронное давление остановит коллапс, когда звезда будет еще примерно в 2300 раз больше своего критического радиуса. Именно поэтому обычное превращение Солнца в черную дыру невозможно.
А что, если «подкормить» Солнце массой?
Мысленный эксперимент: а что, если белый карлик (в который превратится Солнце) начнет активно перетягивать на себя вещество с соседней звезды и постепенно наберет массу, приближаясь к пределу Чандрасекара (1,4 M☉) ? Сможет ли он набрать недостающую массу и стать нейтронной звездой или даже черной дырой?
Теоретически — да, масса может расти. Этот процесс называется аккрецией. Однако природа приготовила здесь злую шутку. Для углеродно-кислородного белого карлика приближение к пределу Чандрасекара может привести к термоядерной нестабильности. Углерод и кислород, из которых состоит белый карлик, могут вступить в неуправляемую реакцию, в результате которой белый карлик будет разрушен. При подходящих условиях это приводит к сверхновой типа Ia, полностью разбрасывающей его вещество в космос.
Это, однако, не единственный возможный сценарий для всех белых карликов: результат зависит от их состава и условий аккреции. В этом случае черная дыра не образуется, потому что вещество выбрасывается в пространство вместо того, чтобы продолжить коллапс в компактный объект.
Экзотический вариант: пришелец изнутри
Существует гипотетическая, почти фантастическая лазейка. В первые микросекунды после Большого взрыва из-за флуктуаций плотности могли образоваться первичные черные дыры с самыми разными массами, в том числе значительно меньше солнечной.
Если такая достаточно массивная первичная черная дыра окажется внутри нашего Солнца, она теоретически сможет постепенно аккрецировать окружающее вещество и со временем повлиять на судьбу звезды. Однако, во-первых, существование таких первичных дыр строго не доказано. Во-вторых, скорость поглощения вещества зависит от массы такой черной дыры и условий внутри звезды, поэтому нельзя утверждать, что любой подобный объект обязательно быстро уничтожит Солнце или непременно даст яркий наблюдаемый сигнал.
Кроме того, в этом сценарии Солнце само не становится черной дырой, оно становится жертвой черной дыры. Разница в формулировках здесь принципиальна.
Заключение: алмазный финал
Подведем итог под строгим взглядом физики.
Солнце не станет нейтронной звездой или черной дырой не потому, что ему «не хватает нескольких солнечных масс» до какого-то универсального порога, а потому, что его масса слишком мала для эволюционного пути массивных звезд, заканчивающегося коллапсом ядра. Природа будто специально сделала нашу звезду слишком легкой для трагического финала. Она умрет не в черноте сингулярности и не в огне сверхновой.
Конец истории Солнца будет тихим, холодным и даже красивым. Оно станет белым карликом, огромным космическим алмазом в образном смысле: внутри такого сверхплотного объекта углерод и кислород со временем могут кристаллизоваться, образуя твердую кристаллическую структуру, размером с Землю, который будет остывать не миллиарды лет, а гораздо более огромные промежутки времени, пока не превратится в черный, мертвый сгусток, так называемый черный карлик.
Правда, ни одного черного карлика во Вселенной пока не существует: для их образования нужно от 10 до 100 триллионов (10¹³ — 10¹⁴) лет, а это гораздо больше нынешнего возраста Вселенной.
Так что мы можем спать спокойно. Черная дыра на месте Солнца нам не грозит. По крайней мере, в рамках обычной эволюции Солнца и точно не в ближайшие несколько миллиардов лет.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
