Белые карлики. Будущее Вселенной

Алексей Левин, 2020

Перед вами первая книга на русском языке, почти целиком посвященная остывающим реликтам звезд, известным под именем белых карликов. А ведь судьба превратиться в таких обитателей космического пространства ждет почти все звезды, кроме самых массивных. История открытия белых карликов и их изучение насчитывает десятилетия, и автор не только подробно описывает их физическую природу и во многом парадоксальные свойства, но и рассказывает об ученых, посвятивших жизнь этим объектам Большого космоса. Кроме информации о сверхновых звездах и космологических проблемах, связанных с белыми карликами, читатель познакомится с историей радиоастрономии, узнает об открытии пульсаров и квазаров, о первом детектировании, происхождении и свойствах микроволнового реликтового излучения и его роли в исследовании Вселенной.

Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ. — мат. наук

Редактор Антон Никольский

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта И. Серёгинга

Корректоры Т. Дейкина, Е. Дейкина, М. Ведюшкина

Компьютерная верстка А. Фоминов

Дизайн обложки Ю. Буга

© А.Е. Левин, 2021

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2021

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

⁂

Памяти моего отца Ефима Ароновича Левина, одного из лучших выпускников знаменитого МИФЛИ, отдавшего жизнь в битве за Москву в конце 1941 г.

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.

В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Предисловие

Предмет этой монографии обозначен в названии. Автор в моем лице намерен подробно (разумеется, в границах научно-популярного жанра) рассказать о чрезвычайно интересном семействе звезд, именуемых «белыми карликами». Этот термин отнюдь не нов — ему почти сотня лет. О его происхождении говорить рано, на это еще будут и время, и место. А пока попытаюсь ответить на вполне законный вопрос, который, возможно, возникнет у читателей и уж точно у потенциальных издателей: имеет ли смысл рассказывать неспециалистам об этих звездах, да еще писать целую книгу? Иначе говоря, заслуживают ли они такого внимания?

Вот несколько аргументов в пользу утвердительного ответа. Начну с того, что белые карлики чрезвычайно многочисленны. Более того, за ними будущее. Согласно данным звездной статистики, свыше 90 % всех когда-либо загоревшихся звезд либо уже превратились в белые карлики, либо станут ими спустя миллионы или миллиарды лет. Это справедливо и для светил, которым еще только суждено воссиять как в нашей Галактике, так и в других звездных системах. Поэтому о них стоит рассказывать хотя бы из уважения к принципам демократии. К тому же белым карликом в будущем (по счастью, весьма отдаленном) станет и наше собственное Солнце, чья судьба нам отнюдь не безразлична.

Конечно, есть и другие причины. История открытия и исследования белых карликов очень богата и поучительна. Она содержит множество любопытных случайностей, маловероятных совпадений и даже анекдотов. Она помогает понять, как делается реальная наука, а не ее приглаженная и спрямленная версия, которую приводят в учебниках, что уже немало.

Проникновение в эту историю также может стать хорошим интеллектуальным упражнением. В прошлом для понимания природы и свойств белых карликов ученым нередко приходилось адаптировать для нужд астрономии инструменты фундаментальной физики, в том числе совершенно новые для своего времени. Эта тенденция сохраняется и поныне — тем более что наблюдение белых карликов средствами современной астрономии по-прежнему преподносит интереснейшие сюрпризы. Поэтому я постарался как можно полнее погрузить читателя не только в астрономию белых карликов, но и в астрофизические и космологические аспекты их исследования. А таковых много, и они весьма нетривиальны.

И наконец, немаловажная причина — дефицит доступной на русском языке литературы. Я не видел ни единой отечественной или же переводной научно-популярной книги, посвященной белым карликам. Честно говоря, я даже не знаю русскоязычных монографий по этой теме, предназначенных для специалистов. И это как-то обидно. Если есть книги о звездах вообще, о нейтронных звездах и о черных дырах, то не пора ли отдать запоздалую дань уважения белым карликам? Повторяю, они того стоят!

Существующая литература по белым карликам очень обширна. Как и положено, она включает и оригинальные публикации, и обзорные статьи, и монографии. Я не стремился, да и физически не мог включить в книгу весь огромный архив знаний, накопленных о белых карликах. Поэтому мой выбор вошедших в нее вопросов оказался — и не мог не быть — в какой-то мере произвольным и, безусловно, отражающим мои личные научные интересы. Однако я льщу себя надеждой, что большинство из них все же нашло в книге достаточно полное отражение.

Сказанное относится и к цитированной литературе. Некоторые авторы и редакторы (правда, сейчас их стало меньше) уверены, что в научно-популярных книгах таковая вообще неуместна. Есть и другая крайность — текст, до предела нашпигованный разнообразными библиографическими указаниями. Будучи сторонником золотой середины, я снабдил книгу лишь ссылками на основополагающие публикации, посвященные не только непосредственно белым карликам, но и другим сторонам астрономии, связанным с их открытием и исследованием. Поступить иначе было бы нечестно по отношению к десяткам замечательных ученых, которым мы обязаны сегодняшним пониманием ключевых проблем науки о Вселенной.

Книга неформально делится на несколько блоков. В первой главе я представил собственную картину становления и развития астрономии — от публикации великой книги Коперника «Об обращениях небесных сфер» (De revolutionibus orbium coelestium) нюрнбергским издателем Иоганном Петреусом в 1543 г. Вторая глава содержит краткое описание новейших тенденций в развитии науки о космосе, которые символилизирует термин «многоканальная астрономия». Третья глава — свод минимально необходимых знаний по звездной астрономии, без которых читать книгу о белых карликах было бы затруднительно. В общем, это историческое и концептуальное введение к основной теме.

В четвертой главе подробно описана история открытия первых белых карликов, позже названных классическими. Пятая посвящена созданию замечательной системы классификации звезд, которая позволила включить сведения о белых карликах в общий интеллектуальный багаж астрономии. Все эти события имели место в теперь уже незапамятные времена — до 1918 г. Шестая глава повествует о последующем поиске белых карликов вплоть до второго десятилетия XXI в.

Следующие три раздела отданы астрофизике белых карликов. В седьмой главе говорится об особенностях и классификации их спектров, в восьмой — о пульсациях и магнитных свойствах. Девятая глава несколько выходит за эти рамки — там рассказано, как исследование белых карликов связано с поиском ответов на некоторые фундаментальные вопросы физики элементарных частиц.

Десятая, одиннадцатая и двенадцатая главы возвращают читателя к истории теоретических поисков, которые позволили понять природу белых карликов. Они начались во второй половине XIX в. и принесли не нуждающиеся в пересмотре (как говорят науковеды, финализированные) результаты в 1920–1930-е гг. Отсюда рукой подать до экскурсии в физику звезд, которой посвящены следующие три главы — с тринадцатой по пятнадцатую.

Затем идут вещи разнообразные. В шестнадцатой главе рассказано об определении возраста Вселенной с помощью наблюдений белых карликов, в семнадцатой и восемнадцатой — о механизмах их превращения в сверхновые звезды. Потом следуют три главы о кристаллизации белых карликов и их довольно близких родственниках — карликах коричневых, или, в другом переводе, бурых. Следующие главы с двадцать второй по двадцать четвертую повествуют о белых карликах в двойных системах, о гравитационной астрономии и о недавно открытой чрезвычайно тесной паре этих звезд. Из главы под номером двадцать пять читатель узнает о предстоящем превращении Солнца в белый карлик, а из двадцать шестой — о том, как такую же эволюцию когда-то претерпел спутник Сириуса, а также, как и когда самая яркая звезда земного небосвода последует его примеру. Ближе к завершению моего рассказа о белых карликах появится глава о самых первых звездах, которые никак не могли стать белыми карликами, но, так сказать, подготовили для них почву. А в заключение, по логике вещей, поговорим о финальной стадии Вселенной, где немалая роль опять-таки отведена белым карликам.

Последние четыре главы не совсем о белых карликах, но тесно с ними связаны. Я решил добавить еще несколько тем, пришедших в науку о космосе во второй половине прошлого века. Тридцатая глава посвящена самому блестящему достижению конца столетия — открытию темной энергии и его значению для астрономии и космологии. Глава за номером тридцать один повествует о нескольких экстравагантных космологических моделях, изобретенных высокоумными математиками. В тридцать второй главе детально рассмотрена история открытия в 1960-е гг. квазаров и пульсаров средствами тогда еще относительно новой науки — радиоастрономии. Из последней, тридцать третьей главы читатель узнает еще об одном великом достижении радиоастрономии этого славного десятилетия — открытии реликтового излучения. И не только о самом открытии, но также о физических свойствах этого излучения, механизмах его генерации и информационном потенциале. В ней будет несколько больше физики, чем в других частях книги, но, надеюсь, она не покажется читателям скучной.

В конце предисловия принято выражать признательность коллегам, которые помогли автору советами, информацией и критическими замечаниями. Однако эта книга — плод индивидуальной работы, так что за ее погрешности отвечаю я один. Но хотел бы выразить безмерную благодарность моей любимой жене, которая отредактировала книгу куда лучше, чем смог бы это сделать я сам.