ДРУГИЕ ВМЕСТИЛИЩА ВЫРОЖДЕННОГО ГАЗА

Особая устойчивость белых карликов обусловлена свойствами вырожденного электронного газа. Четверть века назад астрономы нашли и другие космические объекты, заполненные таким газом. Они занимают промежуточное положение между звездами и газовыми планетами.

Сначала их открыли «на кончике пера». В 1962 г. их существование предсказал Шив Кумар, 23-летний американский астроном индийского происхождения, только что защитивший докторскую диссертацию в Мичиганском университете. Кумар назвал такие объекты черными карликами. Позднее в литературе они фигурировали как черные звезды, объекты Кумара, инфракрасные звезды, но победило словосочетание «коричневый карлик», предложенное в 1974 г. аспиранткой Калифорнийского университета Джилл Тартер.

Кумар шел к своему открытию четыре года. Хотя в те времена основы динамики рождения звезд и были известны, но в деталях оставались изрядные лакуны. Однако Кумар в целом столь верно описал свойства своих «черных карликов», что впоследствии с его заключениями согласились даже суперкомпьютеры. Все-таки человеческий мозг как был, так и остается самым совершенным научным инструментом.

Кумара интересовали самые легкие протозвезды с массой не выше 1/10 массы нашего Солнца. Он понял, что для запуска термоядерного горения водорода они должны сгущаться до плотности большей, нежели предшественники звезд солнечного типа. Центр протозвезды заполняется плазмой из электронов, протонов (ядер водорода), альфа-частиц (ядер гелия) и ядер более тяжелых элементов. Может случиться так, что еще до достижения температуры поджога водорода электроны дадут начало вырожденному квантовому газу, который, как уже было сказано, успешно сопротивляется сжатию протозвезды и препятствует разогреву ее центральной зоны. Поэтому водород либо вообще не зажигается, либо гаснет задолго до полного выгорания. В таких случаях вместо несостоявшейся звезды формируется коричневый карлик.

Кумар вычислил, что минимальная масса нарождающейся звезды равна 0,07 массы Солнца, если речь идет о сравнительно молодых светилах населения I, которым положили начало облака с повышенным содержанием элементов тяжелее гелия. Для звезд населения II, возникших более 10 млрд лет назад, во времена, когда концентрация этих элементов в космическом пространстве была намного меньшей, она составляет 0,09 солнечной массы. Кумар нашел также, что формирование типичного коричневого карлика занимает около миллиарда лет, а его радиус не превышает 10% радиуса Солнца. Наша Галактика, как и другие звездные скопления, должна содержать великое множество таких тел, но их трудно обнаружить из-за слабой светимости.

Со временем эти оценки не особенно изменились. Сейчас считают, что временное возгорание водорода у протозвезды, родившейся из относительно молодых молекулярных облаков, происходит в диапазоне 0,070–0,075 солнечных масс и длится от 1 до 10 млрд лет (для сравнения: красные карлики, самые легкие из настоящих звезд, способны светить сотни миллиардов лет!). При этом термоядерный синтез компенсирует не более половины потери лучистой энергии с поверхности коричневого карлика, в то время как у настоящих звезд главной последовательности степень компенсации составляет 100%. Поэтому несостоявшаяся звезда охлаждается даже при работающей водородной топке и тем более продолжает остывать после ее заглушки.

Протозвезда с массой менее 7% солнечной поджечь водород вообще не способна. Правда, в ее недрах может вспыхнуть дейтерий, поскольку его ядра сливаются с протонами уже при температурах в 600 000–700 000 K, порождая гелий-3 и гамма-кванты. Но дейтерия в космосе совсем немного (на 43 000 атомов водорода приходится всего 1 атом дейтерия), и его запасов чаще всего хватает лишь на несколько миллионов (или, максимально, десятков миллионов) лет. Собственно говоря, с поджога дейтерия начинается жизнь любой звезды, но у звезд с большой массой эта стадия быстро переходит в фазу водородного горения, до достижения которой (то есть до выхода на главную последовательность) звезда обычно сохраняет аккреционный диск, подпитывающий ее новым веществом и обеспечивающий ее рост. По последним данным, время жизни таких дисков может достигать 5–6 млн лет.

Ядра газовых сгустков, меньших 0,012 массы Солнца (что составляет 13 масс Юпитера), не разогреваются даже до порога поджога дейтерия и посему не способны к термоядерным реакциям. Многие астрономы полагают, что именно здесь и проходит граница между коричневым карликом и планетой. По мнению представителей другого лагеря, коричневым карликом можно считать и газовый сгусток полегче, если он возник в результате коллапса первичного облака космического газа, а не родился из газопылевого диска, окружающего только что вспыхнувшую нормальную звезду. Впрочем, любые подобные определения — дело вкуса.

Еще одно уточнение связано с литием-7, который, как и дейтерий, образовался в первые минуты после Большого взрыва. Литий вступает в термоядерный синтез при несколько меньшем нагреве, нежели водород, и потому загорается, если масса протозвезды превышает 0,055–0,065 солнечной. Однако лития в космосе в 100 000 раз меньше, чем дейтерия, и поэтому с энергетической точки зрения его вклад совершенно ничтожен.

Вернемся к электронному ферми-газу коричневых карликов. Принцип Паули утверждает, что два электрона, входящие в одну и ту же систему, не могут пребывать в одинаковом квантовом состоянии. В ферми-газе состояние электрона определяется его импульсом, положением и спином, который принимает всего два значения. Это означает, что в одном и том же месте может находиться не более двух электронов с одинаковыми импульсами (и, естественно, противоположными спинами). А поскольку в ходе гравитационного коллапса электроны пакуются во все уменьшающийся объем, они занимают состояния с возрастающими импульсами и, соответственно, энергиями. Это означает, что по мере сжатия протозвезды увеличивается внутренняя энергия электронного газа. Эта величина определяется чисто квантовыми эффектами и не связана с тепловым движением, а посему в первом приближении не зависит от температуры. Более того, при достаточно высокой степени сжатия энергия ферми-газа многократно превосходит тепловую энергию хаотического движения электронов и атомных ядер.

Отсюда проистекают важные последствия. Возрастание энергии электронного газа увеличивает его давление, которое также не зависит от температуры и растет гораздо сильнее давления теплового. Именно оно противостоит тяготению вещества протозвезды и прекращает ее гравитационный коллапс. Если это случается до достижения температуры поджога водорода, коричневый карлик остывает сразу после непродолжительного по космическим масштабам выгорания дейтерия. Если протозвезда пребывает в пограничной зоне и имеет массу 0,070–0,075 солнечной, она еще миллиарды лет жжет водород, однако на ее финал это не влияет. В конце концов квантовое давление электронного ферми-газа настолько понижает температуру звездного ядра, что горение водорода останавливается. И хотя его запасов хватило бы на десятки миллиардов лет, поджечь их коричневый карлик уже больше не сможет. Этим-то он и отличается от самого легкого красного карлика, выключающего ядерную топку, лишь когда весь водород превратился в гелий.

Существует еще одно отличие звезды главной последовательности от коричневого карлика, опять-таки связанное со свойствами ферми-газа. Обычная звезда не только не остывает, теряя лучистую энергию, но, как это ни парадоксально, нагревается. Это происходит потому, что звезда сжимает и разогревает свое ядро, что сильно увеличивает темпы термоядерного горения (так, за время существования нашего Солнца его светимость возросла по крайней мере на четверть). Иное дело — коричневый карлик, сжатию которого препятствует квантовое давление электронного газа. Вследствие излучения с поверхности он остывает подобно камню или куску металла, хотя, как и нормальная звезда, состоит из горячей плазмы. Перейти в кристаллическое состояние коричневые карлики не могут, для этого нет физических условий.