В 1930 году 20-летний индийский студент по имени Субраманьян Чандрасекар отправился из Мадраса в Англию. Там он намеревался продолжить свое образование в области астрофизики. Во время путешествия он работал с уравнениями, описывающими устойчивость звезд. И нескольких математических строк, с которыми он работал, позволили сделать важное открытие.
Астрономы того времени имели лишь приблизительное понимание того, как работают звезды. Они знали, что звезда – это шар из горячего газа. Этот газ пытается распространиться в вакуум окружающего пространства, но сила тяжести удерживает его. В звёздах, подобных Солнцу, достигается равновесие этих сил. Но только до тех пор, пока газ не сгорает как топливо. Сейчас мы знаем, что это вызвано термоядерными реакциями в ядре звезды.
Черные дыры
Однако у ученых оставался вопрос – что происходит, когда звездное топливо заканчивается? Было очевидно, что гравитация неизбежно одержит верх. Она заставит звезду сжиматься. И чем меньше будет ее радиус, тем более сильной будет гравитация на ее поверхности. Астрономам давно известны небольшие звезды, которые они называют белыми карликами. Они имеют массу, сравнимую с массой Солнца. Но при этом их объем примерно равен размеру Земли. Эти остатки сгоревших звезд настолько плотны, что их атомы буквально прижаты друг к другу. Дальнейшее сжатие таких объектов означает, что атомы будут раздавлены. Такое событие изначально предполагалось невозможным из-за законов квантовой физики.
Чандрасекар в ходе своих расчетов обнаружил, что это не так. Его уравнения позволили предположить, что если звезда имеет достаточно большую массу, ее огромная гравитация заставит электроны разгоняться до скорости света. Это сделает звездный материал более мягким. И это означает возможность дальнейшего гравитационного коллапса звезды. В отсутствие какого-либо другого фактора материя звезд образует объекты, которые мы знаем сегодня как черные дыры. Но в начале 1930-х годов такой объект считался слишком диковинным, чтобы воспринимать всерьез.
Предел Чандрасекара
Чандрасекар смог вычислить критическую массу, при которой эта гравитационная неустойчивость будет реализована. Ее значение составляло 1,44 солнечных масс. Сейчас оно известно как предел Чандрасекара. По прибытию в Англию ученый объявил о своем открытии. Но его игнорировали, или отвергали его слова как вздор молодого выскочки. Самый выдающийся астроном тех дней, сэр Артур Эддингтон, публично высмеял Чандрасекара. Это произошло в ходе печально известной встречи в Королевском астрономическом обществе в 1935 году. Он заявил, что существуют законы природы, «которые не допустят, чтобы звезда вела себя столь абсурдно».
Однако история доказала, что Эддингтон ошибался. Если звезда имеет массу, превышающую предел Чандрасекара, то в конце своей эволюции она действительно коллапсирует. Один из вариантов ее судьбы предполагает формирование так называемой нейтронной звезды. В ней атомы измельчаются в нейтроны, и объект стабилизируется в размерах. Эти размеры сравнимы с габаритами крупного индустриального города.
Нейтронные звезды
Подобные объекты были открыты в 1960-х годах, и сегодня изучаются астрономами. Большинство из них имеют массы, близкие к пределу Чандрасекара. Более массивные звезды заканчивают свои дни полностью разрушаясь. Когда они сжимаются в объекты, имеющие размеры несколько километров в поперечнике, их гравитация становиться настолько огромна, что даже свет не может покинуть их. Так рождаются черные дыры.
Несмотря на то, что концепция черной дыры явно вытекала из обшей теории относительности Эйнштейна, потребовались десятилетия, чтобы эта идея получила жизнь. Чандрасекар признал это в 1983 году, когда писал: «Этот важный результат скрыт в фундаментальной статье Карла Шварцшильда, опубликованной в 1916 году». Хотя теоретическая возможность существования черной дыры присутствовала в теории Эйнштейна, юношескому гению Чандрасекара потребовалось доказать, что такой объект может быть результатом трансформации умирающей звезды.
Со временем возможность существования черных дыр была принята наукой. И расчеты Субраманьяна Чандрасекара полностью оправдались. Тем не менее он был настолько обижен Эддингтоном, что решил покинуть Великобританию. И в 1937 году переехал в США. Там он сделал выдающуюся карьеру и умер в 1995 году.
Кварковые звезды
Чандрасекар ушел, оставив открытым один увлекательный вопрос. Может ли существовать промежуточное состояние между нейтронной звездой и черной дырой? Это был бы объект больше 1,44 массы Солнца, слишком тяжелый, чтобы образовать нейтронную звезду. Но при этом предотвративший полный коллапс с помощью экзотической формы сверхплотного вещества. Им мог бы быть некий суп из кварков – составляющих протонов и нейтронов. На сегодняшний день никто не обнаружил кварковую звезду. Но понятие о ней остается теоретической возможностью. И кто знает, может быть новый гений решит этот вопрос.