Оппенгеймер известен как руководитель проекта по созданию ядерного оружия в США, но его научное наследие в области астрофизики является ключевым элементом понимания черных дыр и процессов их формирования. В этом материале вы можете познакомиться с научной информацией, которую не найдете в фильме «Оппенгеймер».

1930-е годы были интересным и противоречивым временем как для мировой экономики, так и для науки ядерной физики. В экономическом плане великая депрессия привела к росту безработицы, резким перепадам в мировом промышленном производстве, а также развитию идеологии фашизма. На фоне этих геополитических событий в фундаментальной физике происходила революция — путешествие в атомное ядро. По всему миру физики собирали воедино кусочки головоломки ядерной физики: радиоактивность, открытие нейтрона, энергетический потенциал всей материи E=mc², физические процессы термоядерного синтеза и деления.

Прежде чем Дж. Роберт Оппенгеймер стал руководителем проекта по созданию атомной бомбы (Манхэттенского проекта), он был одним из ученых, который занимался исследованием ядерной физики в самых экстремальных условиях: в процессе гравитационного коллапса наиболее массивных звезд во Вселенной. В серии научных работ, опубликованных в конце 1930-х годов, Оппенгеймер вошел в состав первой в истории группы исследователей, которая определила предельную массу атомного ядра (ядра нейтронной звезды) до его полного коллапса в то, что он тогда обозначил как «темная звезда» или «черная дыра».

Представьте себе звезду: огромное скопление массы, где доминирует водород с существенной долей гелия (плюс незначительное количество всех прочих элементов), и мощная гравитационная сила, действующая на эту массу, неуклонно тянет ее внутрь. Важный вопрос, который долгое время беспокоил физиков, оказался весьма простым: почему эти объекты не разрушаются под действием гравитации?

Например, масса звезды, подобной Солнцу, примерно в 300 000 раз превышает массу Земли, но при этом плотность ее вещества всего на четверть меньше плотности нашей планеты. Для того чтобы это было возможно, должна существовать определенная внутренняя сила, которая генерируется внутри самого Солнца и противостоит гравитации.

Это не может быть химическое горение, так как время жизни Солнца измеряется тысячами лет, а не миллиардами, как того требуют многочисленные геологические данные. Это не может быть гравитационное сжатие, так как малая плотность Солнца не позволяет этого сделать. И не может быть от постоянного пополнения запасов топлива, так как добавленная масса заметно изменила бы орбиты внутренних планет. В ядре звезды должна происходить какая-то новая реакция — реакция с участием ядерных сил.

Это подтверждается простым рассмотрением двух фактов вместе:

• состав Солнца и звезд, которые в основном состоят из водорода и в меньшей степени из гелия;

• относительные массы ядер водорода и гелия, где одно ядро гелия-4 фактически примерно на 0,7% меньше по массе, чем четыре ядра водорода-1.

В условиях экстремальных давлений и температур, создаваемых в ядре звезды, возможно протекание ряда ядерных реакций, которые приводят к цепной реакции. В результате нее ядра водорода превращаются в ядра гелия, выделяя при этом энергию — по формуле Эйнштейна E=mc².

Высвобождающаяся энергия, как выяснили многие ученые, способна создавать огромное давление внешнего излучения, заставляя Солнце (и большинство звезд) светить миллиарды лет или даже больше, и удерживать звезду (включая Солнце) от гравитационного коллапса.

В то время как большинство ученых, которые занимались этой проблемой, стремились во всех подробностях разобраться в происходящих ядерных реакциях, Оппенгеймера больше интересовал другой аспект: что произойдет со звездой, когда она полностью исчерпает ядерное топливо, которое она сжигала для того, чтобы удержаться от гравитационного коллапса?

Оппенгеймер понимал часть этой истории: без источника топлива, способного продолжать генерировать излучение, гравитация в конечном итоге возьмет верх, и ядро звезды начнет сжиматься. Любая физическая система, которая быстро сжимается или расширяется, без достаточного времени для теплообмена между внутренней и внешней средой, будет увеличивать температуру. Потому что одно и то же количество общего тепла сжимается во все меньший и меньший объем.

Повышение температуры в гелиевом ядре массивной звезды приведет к началу термоядерного синтеза гелия — процесса слияния трех атомов гелия -4 в возбужденное состояние углерода -12. В результате выделяется еще больше энергии, чем при слиянии водорода с гелием ранее.

Звезды, более или менее массивные, чем Солнце, начнут синтез гелия, но это лишь откладывает неизбежную проблему на более поздний срок: что произойдет, когда у звезды закончится гелиевое топливо в ядре? В конце концов, излучение заканчивается, и ядро начинает гравитационно сжиматься и нагреваться еще больше.

Некоторые звезды, такие как Солнце, не нагреваются настолько, чтобы инициировать дальнейшие реакции ядерного горения. В этом случае ядро, состоящее в основном из таких элементов, как углерод и кислород (которые могут быть созданы при слиянии атома углерода с атомом гелия), просто сжимается и сжимается, пока не достигнет предела сжатия. Этот предел сжатия звезды определяется не давлением теплового излучения активной звезды, а квантово-механическим эффектом: давлением вырождения электронов в «море» атомных ядер.

Поскольку два электрона — пример частицы, известной как фермион — не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии по принципу исключения Паули, такие звездные остатки могут противостоять гравитационному коллапсу. Остатки будут представлять собой физические объекты с более высокими температурами и плотностью в ядрах, чем на окраинах, и соответствовать тому, что в наше время известно как белый карлик.

Однако должен существовать предел массы белого карлика, так как при достижении определенной массы его размер, по прогнозам, должен уменьшиться до нуля, что является совершенно нефизическим значением. При достижении критической плотности должны происходить либо дальнейшие ядерные реакции, либо дальнейший коллапс белого карлика, приводящий к образованию черной дыры. Впервые этот предел массы был получен Субрахманьяном Чандрасекхаром в 1930 году и с тех пор известен как предел массы Чандрасекхара.

Однако Оппенгеймер решил рассмотреть другой аспект этой проблемы: что произойдет с самыми массивными звездами, температура и плотность которых после сгорания водородного и гелиевого топлива возрастают до произвольных величин?

Детальный ответ будет получен только через несколько десятилетий. Когда достаточно массивное углеродное ядро звезды сжимается, оно становится достаточно горячим, чтобы инициировать синтез углерода, в результате которого образуются такие элементы, как неон.

При последующем сжатии и нагреве ядра неон сгорает при еще более высоких температурах, фотодезинтегрируясь (разлетаясь на части под действием высокоэнергетического фотона) в кислород. Снова происходит сжатие ядра и повышение температуры, что приводит к слиянию кислорода с образованием таких элементов, как кремний и сера. 

Когда ядро еще больше сжимается, исчерпав свой кислород, происходит горение кремния с образованием элементов, которые в результате захвата гелия превращаются в серу, аргон, кальций, титан, хром, железо и никель. В этот момент ядро становится инертным, и вскоре происходит коллапс сверхновой.

Хотя Оппенгеймер не знал этих деталей, он пришел к важному пониманию. Какие бы ядерные реакции ни происходили, в конце концов они натолкнутся на предел. Предел того, что все ядро звезды будет вести себя как одно единственное атомное ядро, и оно неизбежно будет иметь предел, до которого оно может быть массивным. Если сжать протон и электрон при достаточно высоких температурах и давлениях, то в результате процесса захвата электрона он превратится в нейтрон, излучив после этого призрачное нейтрино.

Прогресс в этом направлении происходил быстро. В 1932 г. Джеймс Чедвик экспериментально открыл нейтрон, а уже в следующем году Вальтер Бааде и Фриц Цвикки (тот самый Фриц Цвикки из темной материи) предположили, что нейтронные звезды могут возникать в результате смертельного коллапса массивной звезды.

Именно этим вопросом Оппенгеймер был заинтригован в 1930-х годах. Предположим, у нас есть нейтронная звезда произвольной массы, и мы продолжаем ее сжимать любым возможным способом. Можно добавить ей массу, уменьшить ее объем, просто сконцентрировать больше вещества нейтронной звезды в одном месте и так далее. В определенный момент мы столкнемся с тем же пределом, который Чандрасекхар установил для белых карликов, но в контексте нейтронных звезд.

Оппенгеймер, опираясь на предыдущую работу Ричарда Толмана и работая в сотрудничестве с Джорджем Волкоффом, пришел к выводу, что здесь должен действовать один и тот же физический эффект. Группа нейтронов, протонов или электронов не имеет значения, поскольку все они являются примерами фермионов и подчиняются принципу исключения Паули: никакие два из них, находясь в одном и том же месте в одно и то же время, не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Это создает давление вырождения, которое выталкивает их наружу, не позволяя звездному остатку, будь то нейтронная звезда или белый карлик, превысить определенное критическое значение своей массы.

Уравнение, определяющее максимальное значение массы для простейшей модели нейтронной звезды, холодной и не вращающейся, было впервые разработано Оппенгеймером и Волкоффом и сегодня известно как предел Толмана-Оппенгеймера-Волкоффа, или просто предел TOV.

Если принять во внимание современную ядерную физику и физику частиц, то те же уравнения и подход, которые Оппенгеймер и Волкофф использовали в 1939 г., используют и сегодня: максимально возможная масса невращающейся нейтронной звезды составляет где-то около 2,2-2,9 масс Солнца.

Гравитационно-волновая астрономия в настоящее время чувствительна лишь к очень узкому кругу объектов. Ближайшие черные дыры до открытия Gaia BH1 в ноябре 2022 года все были обнаружены как рентгеновские бинары. Массовая «граница» между нейтронными звездами и черными дырами все еще находится в стадии определения.

Как соотносятся современные предсказания, сделанные на основе работ Оппенгеймера, с лучшими современными наблюдениями нейтронных звезд? Выдающимся образом. Рекомендуем всем, кто интересуется предельными значениями нейтронных звезд, не обращаться к Списку самых массивных нейтронных звезд, приведенных в Википедии. Потому что в этом списке преобладают нейтронные звезды с существенными неопределенностями в отношении массы (и расстояния), а обратить внимание на следующие три чрезвычайно точных наблюдения:

1. Самая массивная нейтронная звезда с точным измерением расстояния и массы — миллисекундный пульсар PSR J0740+6620, который, несмотря на свое быстрое вращение, имеет хорошо измеренную массу 2,08 масс Солнца с неопределенностью всего около 3% от этого значения: чуть ниже предела TOV.

2. В 2017 году коллаборация LIGO-Virgo наблюдала первое в истории слияние нейтронной звезды с нейтронной звездой: GW170817, где суммарная масса нейтронных звезд-предшественниц составляла около 2,75 масс Солнца. На короткое время, менее секунды, они образовали (возможно, быстро вращающуюся) нейтронную звезду, а затем коллапсировали в черную дыру.

3. А в 2019 году коллаборация LIGO-Virgo наблюдала второе за всю историю наблюдений слияние нейтронной звезды с нейтронной звездой, но с большей суммарной массой — 3,3-3,7 масс Солнца: GW190425. На этот раз остаток после слияния сразу превратился в черную дыру, что свидетельствует об отсутствии промежуточной нейтронной звезды.

Найти нейтронную звезду с самой высокой массой и черную дыру с самой низкой массой — задача не из легких, поскольку определить свойства этих объектов очень сложно из-за их относительной редкости (по сравнению со звездами), удаленности (обычно на тысячи световых лет от нас и более), низкой или даже нулевой яркости, а также из-за того, что экстремальные объекты — нейтронные звезды с самой высокой массой и черные дыры с самой низкой массой — встречаются крайне редко.

Тем не менее, благодаря постоянно совершенствующимся технологиям определения времени пульсаров, открытию новых нейтронных звезд в пределах Млечного Пути и появлению новых примеров слияния нейтронной звезды с нейтронной звездой, мы можем приблизиться к открытию предельной массы нейтронной звезды и черной дыры, а также ее спиновой зависимости.

Однако, вспоминая Оппенгеймера, не следует вспоминать исключительно его личную жизнь, политические взгляды или даже роль в создании атомной бомбы. Напротив, можно утверждать, что его самый значительный вклад в мир с научной точки зрения — астрофизический: разработка метода теоретического понимания верхнего предела массы, определяющего границу между нейтронной звездой и черной дырой.

Когда Оппенгеймер цитирует Бхагавадгиту, заявляя: «Теперь я стал смертью, разрушительницей миров», он мог бы с таким же успехом отнести это утверждение ко всем нейтронным звездам, которые были или могли бы быть, но оказались слишком массивными, чтобы сделать что-то иное, кроме как разрушиться до состояния сингулярности.