Начнём наш очередной рассказ с литературы и кино, а точнее, с научно-фантастического романа, легендарного советского писателя Ивана Антоновича Ефремова «Туманность Андромеды», ну и одноимённого советского кинофильма, снятого по мотивам этого романа. И роман, и фильм переносит и читателей, и зрителей в далёкое будущее, в котором земляне успешно изучают и осваивает далёкий космос. Правда, слово «успешно» можно считать не слишком уместным, поскольку экипаж земного звездолёта «Тантра» по возвращению из экспедиций, весьма проблемно встречается по пути с астрономическим объектом, который и в романе, и фильме называют железной звездой.

Согласно сюжету, это объект не так уж и далёк от Солнца, располагает всего лишь каких-нибудь в двух световых годах от него. Имеет гигантское по силе гравитационное поле и может быть обнаружен землянами только лишь в инфракрасном диапазоне.

В дальнейшем экипаж «Тантры» ждут опасные приключения на одной из планет железной звезды, куда звездолёт совершает вынужденную посадку. Связано это с кораблём инопланетян, таинственной гибели ещё одной земной экспедиции на звездолёте «Парус» и обнаружением агрессивной медуза подобной формы жизни.

Однако всё в конечном итоге складывается хорошо и «Тантра» благополучно улетает в родную Солнечную систему к Тритону. На этом собственно и всё о романе и фильме. А вот к упомянутой железной звезде, давайте с вами всё же вернёмся.

Сейчас многие учёные литературоведы и кинокритики продолжают спорить о том, что же она собой представляет (железная звезда) и что в это понятие вкладывал сам автор Иван Ефремов. Что это за объект, как он мог образоваться, какова его физическая природа и так далее.

Однозначных ответов на эти вопросы пока что нет. Одна часть спорщиков уверена в том, что железная звезда – это почему-то коричневый карлик, другая склонна считая, что речь в данном случае идёт о нейтронной звезде. Ну и третья партия говорит о том, что перед нами гипотетический вид астрономических объектов, которые могут появиться в нашей вселенной даже не в далёком, а если так можно выразиться в ультрадалёком будущем.

Всё дело в том, что 50-е годы прошлого века, когда писался роман «Туманность Андромеды», советской и мировой науки бытовало, как мы сейчас понимаем, ошибочная теория о том, что Вселенная не имеет ни начала, ни конца в пространственном плане и не начало своего зарождения, неестественно смерти, во временных исчислениях. А поэтому Иван Ефремов вполне обоснованно считал, что железные звёзды, при современном теоретическом представлении уже существует. Вполне могут находиться даже в относительной близости от Солнца.

Давайте сегодня поговорим об этих железных звёздах и рассмотрим всё что известно о них и об их теории. И начнём, так сказать, с возможного эволюционного пути образования таких объектов.

Термоядерные реакции, при которых лёгкие атомные ядра преобразуются в более тяжёлые, являются основным источником звёздной энергии. Они протекают следующим образом: водород превращается в гелий, гелий – в углерод, углерод – в кислород, кислород – в кремний, и, наконец, кремний – в железо. Синтез железа требует больше энергии, чем выделяется, поэтому железо – последняя стадия.

Добрая половина звёзд умирает еще до «возгорания» углерода, остальные же, достигнув этой или следующей ступени, взрываются в виде сверхновой. Но может ли существовать звезда, полностью состоящая из железа и при этом вырабатывающая энергию? Да, в теории может – за счёт холодного нуклеосинтеза, идущего путём эффекта квантового туннелирования. Это когда частица преодолевает барьер, который в обычной жизни преодолеть бы не смогла. Например, если вы бросите резиновый мячик в бетонную стену, он отскочит, ударившись об неё. Но в квантовой механике есть маленький шанс, что мячик пройдёт сквозь стену и стукнет по макушке человека, которому не повезло оказаться позади стены.

Железная звезда должна быть невероятно массивной, чтобы в ней постоянно шли термоядерные реакции. Поскольку железо – довольно редкий по космическим меркам элемент, считается, что первая железная звезда появится через 10^1500 лет, что значительно больше нынешнего возраста Вселенной.

Почему такие звёзды должны появиться так нескоро? Как видно из названия, эта звезда должна состоять из железа. А железо – это очень редкий элемент во Вселенной. Для полного понимания разберемся в природе образования xимических элементов во Вселенной. С помощью термоядерного синтеза звёзды образуют из более лёгких элементов более тяжёлые. Так, наше солнце из водорода синтезирует гелий. При этом высвобождается огромное количество энергии. И чем легче элементы, из которых состоит звезда, тем больше энергии она высвобождает.

Стандартная цепочка преобразования элементов в ходе ядерного синтеза выглядит следующим образом: из водорода образуется гелий, из гелия – углерод, из углерода – кислород, из кислорода – неон, из неона – кремний, и в конечном итоге из кремния получается железо. Синтез железа требует больше энергии, чем её высвобождается в ходе синтеза, поэтому этот элемент является последним в цепочке звёздного топлива.

Как правило, звёзды взрываются сверхновыми уже после того, как начинают синтезировать углерод. А железо они могут образовывать лишь в момент взрыва сверхновой, и то в относительно малых количествах. Именнo поэтомy для обpaзования железной звезды должно пройти очень много времени, чтобы количество железа было достаточным для звездообразования. А масса железа в железной звезде согласно современной теории должна быть огромной. Настолько большой, чтобы начался синтез железа с выбросом энергии, как бы парадоксально это не звучало.

Каким образом в звезде может происxодить синтез железа с выделением энергии? Этот феномен называется туннельным эффектом – особым свойством частицы преодолевать барьер, который по физическим законам она не может преодолеть. Это примерно то же самое, если бы Вы бросали мяч в стену, а он пролетал бы сквозь неё. Но случалось бы это настолько редко, скажем один раз из ста миллиардов, что вероятность хоть раз увидеть как мяч пролетает сквозь стену в течение всей своей жизни крайне мала.

Похожий процесс происходит и в железной звезде. Вероятность того, что энергия синтеза преодолеет барьер, препятствующий ей ничтожно мала, но звезда имеет настолько огромное количество вещества, что синтез железа в ней протекает постоянно. Удивительно, не правда ли?

Массивные и средние массивные звёзды, как гласит теория, неизбежно взрываются сверхновыми, а их ядра коллапсирует либо до чёрных дыр, либо до нейтронных звёзд. Эволюция таких объектов, которые мы называем релятивистским, нам хорошо известно и вполне понятна. Из них уж никак не получится железных звёзд, поэтому на них мы останавливаться не будем.

По всей видимости, нас будут интересовать красные карлики и звёзды около солнечной массы. Красные карлики, согласно теории, с течением времени будут выгорать до голубых, а потом и до чёрных карликов.

Звёзды же около солнечной массы сбрасывает свои оболочки в виде планетарных туманностей, а их ядра сжимаются до белых карликов, которые должны остывать всё до тех же чёрных карликов. А вот как раз чёрные карлики уже будут являться практически идеальными кандидатами для своего рода преобразования в железную звезду.

Эти преобразования будут обязаны очень интересному квантовому процессу, который называется пикноядерным синтезом. Предпосылками для его протекания является уменьшение равновесных расстояние между ядрами атомов модели упорядоченной структуры или же решётки ядерно-электронного вещества при повышении его плотности, что увеличивает вероятность их столкновений и синтеза. При таких условиях кулоновское отталкивание атомных ядер должно преодолеваться за счёт туннельного эффекта или как его ещё называют квантового туннелирования. Таким образом, атомы более лёгких элементов будут сливаться в атомы более тяжёлых.

Теория отмечает, что интенсивность пикноядерных реакций будет возрастать при увеличении плотности вещества. Как результат пикноядерный синтез будет постепенно превращать, хотя и достаточно медленно, более лёгкие элементы чёрного карлика в железо-56, последний элемент, который теоретически может быть создан путём ядерного синтеза. В то же время элементы тяжелее железа, посредством радиоактивного альфа распада будут также постепенно и также медленно превращаться во всё тоже железо-56, а значит чёрный карлик будет становиться полностью или же в значительной мере железным, то есть преобразуется в железную звезду.

Но тут одно но – это теория астрофизика из университета штата Иллинойс доктором Метта Каплана, которая предполагает вероятность взрывов чёрных карликов, так называемыми чёрными сверхновыми. По мнению учёного, катастрофическое возрастания плотности вещества чёрного карлика связанное с пикноядерный преобразованиями, может привести к коллапсу его ядра, что вызовет мощный взрыв с выделением энергии в различных областях электромагнитных волн.

Как считает Метт Каплан, чёрными сверхновыми должны взрываться чёрные карлики с массой от 1,16 до 1,35 массы Солнца. Если доверять этому, то чёрные карлики с такой массивностью на роль прародителей железных звёзд не подходит, а вот с массами ниже 1,16 солнечной массы, более чем вполне.

Теперь давайте поговорим о времени, которое должно пройти, чтобы железные звёзды в нашей Вселенной стали реальностью. Теоретики, которые стояли у истоков концепции железных звёзд, приводят необходимое для их формирования время в 10^1500 лет. Однако Метт Каплан не столь оптимистичен в этих оценка и предполагает, что для метаморфозы чёрного карлика в значительной мере до его железного состояния, в следствии пикноядерным синтеза из более лёгких элементов, должно пройти от 10^1100 до 10^32000 лет. На фоне нынешнего возраста Вселенной, в менее даже чем 13,8 миллиарда лет приведённое выше значение временных отрезков выглядят, если мягко выражаться умопомрачительными. Однако если теория верна, то к своей тепловой смерти наши мироздания, после испарения чёрных дыр, должна стать полностью железным, то есть состоящим из таких объектов, как железные звёзды. Что ж согласитесь, всё это выглядит несколько мрачновато.

Ну а теперь, традиционная ложка дёгтя или даже стаканы в бочку с мёдом в хорошо сложенные теории. Начнём хейтить теорию железных звёзд уже с нижнего предела времени, которое должно пройти для их образования, а это 10^1100 лет, всё дело в том, что так называемая тепловая смерть Вселенной должна наступить гораздо раньше, иными словами, наше мироздание может просто не дожить до первых железных звёзд.

Теперь о протоне, вернее о его стабильности, гипотетическое время его жизни теоретически выведена на уровень в 10^37 лет. Если эти выкладки верны, то под огромное сомнение ставится не только возможность существования железных звёзд, но и даже сроки наступления тепловой смерти Вселенной. В общем, как видим теории интересны, однако она далеко не лишена прорех.

Вся наша Вселенная – живая. Она напоминает собой огромный организм: Вселенная родилась около 13,8 млрд лет назад, затем она начала расширяться и расти, и этот рост (или расширение) продолжается до сих пор. Как в живых организмах клетки рождаются и умирают, точно так же во Вселенной рождаются новые звёзды и погибают старые, образуются планеты и планетарные системы, которые, в свою очередь, после смерти своей звезды распадаются, и планеты, больше не удерживаемые узами гравитации, становятся сиротами – вечными странниками на просторах космоса. Формируются новые галактики… Но так будет не всегда, и во Вселенной появится «на старости лет» нечто новое.

Если Вселенная продолжит своё расширение, в ней будет образовываться новый тип звёзд – железные звёзды. Массивные и сверхмассивные светила в финале своего жизненного пути неизбежно взрываются как сверхновые, а их ядра сжимаются либо до нейтронных звёзд, либо, если объект был очень большим, то ядро становится чёрной дырой, поэтому из них железные звёзды сформироваться не могут. Особый интерес представляют красные карлики и звёзды по типу нашего Солнца – жёлтые карлики.

Красные карлики – это маленькие и относительно холодные звёзды главной последовательности, чья температура составляет всего от 2000 до 3000 С, а светимость их почти в 10000 раз ниже, чем у Солнца. Но даже несмотря на такой экономичный расход своего ядерного топлива, красным карликам тоже уготован свой финал.

Они, пожалуй, самые спокойные звёзды во Вселенной. Тихо себе светят приятным красновато-рыжим и слабым светом, живут они очень долго (за всё время существования Вселенной не «умер» ещё ни один красный карлик!). Спустя миллиарды лет, когда их топливо закончится, они сожмутся, от чего разогреются, станут голубыми карликами, но без грандиозных взрывов и коллапсов они так и продолжат остывать: сначала «поседеют» до белых карликов, а затем, когда совсем остынут, почернеют, как и все белые карлики, и их вообще никто не сможет увидеть.

Звёзды по типу нашего Солнца, когда израсходуют всё своё топливо, становятся красными гигантами, а затем сбрасывают свои внешние оболочки и всё, что от них остаётся – их ядра – такие же белые карлики, которые так же будут очень долго остывать и в конце концов станут теми же мёртвыми чёрными карликами. Но, как полагают учёные, это не совсем конец.

Именно чёрные карлики могут стать кандидатами на преобразование в железную звезду. В чёрных карликах начнутся интересные квантовые процессы. Плотность этих объектов большая, поэтому атомы лёгких элементов будут сливаться в более тяжёлые элементы, что приведёт к образованию большого количества изотопов железа. В конечном итоге чёрные карлики станут железными звёздами.

Но это всё же учёные точного ответа не могут дать на то, что же произойдёт с чёрным карликом. Некоторые астрофизики полагают, что возрастание плотности внутри чёрного карлика приведёт к их взрыву – это будет что-то вроде чёрной сверхновой.

Но мы вряд ли когда-нибудь сможем вообще это застать. Процесс превращения звёзд в чёрные карлики, а в свою очередь, их переход в состояние железных звёзд очень долгий. Теоретики подсчитали, что время, необходимое для формирования железных звёзд, займёт примерно от 10^1100 до 10^32000 лет. На фоне нынешнего возраста Вселенной приведённое значение временных отрезков выглядит просто невообразимым! Однако если теория верна, то к моменту своей тепловой смерти в нашей Вселенной останутся лишь железные звёзды и затерявшиеся где-то в абсолютной черноте планеты, их бывшие спутники и астероиды.