Найден объект промежуточной массы между нейтронной звездой и черной дырой

Астрономия 25.06.2020

В конце своей жизни ядра сверхмассивных звезд коллапсируют, выделяя огромные количества энергии — такие события мы наблюдаем как вспышки сверхновых. Часть вещества погибших светил выбрасывается в окружающее пространство, а остатки сжимаются под действием сил собственной гравитации в сверхплотные объекты.

Распределение масс известных нейтронных звезд и самых легких черных дыр. Источник: LIGO-Virgo/ Frank Elavsky & Aaron Geller (Northwestern)

Точная судьба остатка сверхновой зависит от его массы. Если она не превышает определенного значения (предел Оппенгеймера-Волкова), то после вспышки остается нейтронная звезда. Если масса остатка превышает этот предел, вспышка сверхновой приводит к рождению черной дыры.

Но чему равен предел Оппенгеймера-Волкова? Данные наблюдений и результаты теоретического моделирования говорят о том, что его значение для невращающейся нейтронной звезды составляет 2,16 массы Солнца. Однако в реальности такие объекты вращаются с большой скоростью, что увеличивает значение предела примерно на 15%. Таким образом, в теории во Вселенной не должно существовать нейтронных звезд, масса которых превосходит солнечную в 2,5 раза. В свою очередь, астрономам пока не удалось найти черных дыр менее чем в пять раз тяжелее Солнца. Это порождает закономерный вопрос о существовании «промежуточных» тел с массами в диапазоне между 2,5 и 5 солнечных.

Недавно коллектив исследователей из гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и Virgo сообщил об открытии объекта, масса которого лежит в районе этого «разрыва». Он был обнаружен благодаря гравитационному всплеску GW190814, зарегистрированному в августе прошлого года. Анализ данных показал, что его породило слияние двух объектов, произошедшее на расстоянии около 800 млн световых лет от Млечного Пути. Первое тело было в 23 раза тяжелее Солнца и оно безусловно являлось черной дырой. Но астрономов куда больше заинтересовал второй объект. Имеющиеся данные говорят о том, что его масса в 2,6 раза превосходила солнечную.

Схематическое изображение объектов, которые могли участвовать в событии слияния GW190814. Источник: LIGO-Virgo/ Caltech

По словам астрономов, пока они затрудняются дать точный ответ на вопрос о природе этого объекта. Его масса определенно выше современных прогнозов для максимальной массы нейтронных звезд. Таким образом, он может оказаться самой легкой из всех известных черных дыр.

Ученые надеются, что в будущем им удастся зарегистрировать аналогичные события, которые позволят пролить свет на природу подобных тел. По словам исследователей, они допускают, что наблюдаемый «разрыв» масс на самом деле объясняется ограниченными техническими возможностями и несовершенством имеющихся сенсоров, не позволяющими наблюдать популяцию сверхкомпактных объектов промежуточной массы.

По материалам: https://phys.org

Прошу прощения у подписчиков за столь долгий перерыв, но вот, нежданно-негаданно, выдалость свободное время.

Когда пророки трубят, что первый ангел вострубил, и грядёт апокалипсис, когда осведомлённые граждане называют точную дату, когда Земля налетит на небесную ось, добавлю немного жути и расскажу ещё об одном сценарии апокалипсиса, который потенциально может наступить в любую секунду.

Речь идёт о страпельках. Это как капельки, только они странные. За этим милым названием скрываются весьма зловещие перспективы. Но обо всём по порядку.

Нейтронные звёзды представляют собой объекты нашей вселенной, обладающие наибольшей плотностью. Плотнее только чёрные дыры (если термин плотность вообще к ним можно применить). И внутри этих звёзд сокрыта, наверное, наиболее опасная субстанция, которую только можно встретить в нашей вселенной – странная материя. С ней неприминимы обычные законы природы, а она уничтожит всё, что вступит с ней в контакт.

Здесь нужно бы привести для начала весьма длинный и увлекательный рассказ о нейтронных звёздах, но на эту тему я раньше пилил отдельный пост, посему отсылаю к нему (Вскрываем трупы звёзд).

Здесь лишь вкратце скажу, что нейтронная звезда — это «труп» звезды обычной, которая была достаточно массивной, чтобы не окончить свои дни белым карликом, но не набрала массы, чтобы смочь в чёрную дыру. Когда такая звезда полностью сжигает своё топливо, термоядерные реакции внутри неё уже не могут уравновесить гигантскую массу, которая с колоссальной силой сжимает материю. Сжимает так сильно, что взаимное отталкивание электронов уже не может противостоять такому давлению, и их буквально вдавливает в ядра атомов, и протоны этих ядер превращаются в нейтроны. Принцип запрета Паули — последний рубеж, который надо преодолеть гравитации, чтобы превратить такую звезду в чёрную дыру, но если массы недостаточно, материя внутри такой звезды представляет собой плотно упакованные нейтроны, «прижатые» друг к другу, отсюда и название — нейтронная звезда.

Когда я говорю «плотно-прижатые», это даже не фигура речи. Наше солнце после смерти превратится в белого карлика, однако, если бы оно было чуть массивнее, то вся его материя сжалась бы до размеров порядка десятков километров (размером с небольшой город). По сути, ядро такой нейтронной звезды напоминает одно гигантское ядро атома.

Вот размеры для сравнения (у этого милого шарика масса больше, чем у нашего Солнца):

В другом моём посте (Кварки — кирпичики материи) я уже рассказывал о кварках — строительном материале для привычной нам материи. Они не могут существовать по-одиночке, только в сцепке друг с другом, это называется умным словом «конфайнмент» (от англ. to confine – удерживать, ограничивать, держать взаперти). Если пытаться их растащить, то когда вы затратите достаточное количество энергии на это дело, из неё получатся новые кварки и конфайнмент будет сохранён.

Сейчас известно о 6 различных «ароматах» (flavour) кварков. Обычная материя состоит из протонов и нейтронов в составе которых обычные кварки «верхнего» (up) и «нижнего» (down) ароматов. Кварки с другими ароматами очень быстро распадаются в «нормальных условиях», однако внутри нейтронных звёзд условия какие угодно, только не нормальные. Это наиболее экстремальные условия, которые только можно найти в нашей вселенной, примерно такие же условия существовали в первые микросекунды большого взрыва (подробнее о теории большого взрыва здесь — Правды и кривды теории большого взрыва).

Так вот, согласно одной из теорий (интересующимся сюда: Quark Deconfinement in Rotating Neutron Stars) в подобных условиях, конфайнмент нарушается. Иными словами, нейтроны, образующие ядро, «плавятся» и образуют «кварковую материю» – огромный сгусток, состоящий целиком из разобщённых кварков. Такую звезду ещё называют кварковой звездой, хотя снаружи она может ничем не отличаться от обычной нейтронной звезды.

В этих условиях обычные верхние и нижние кварки могут стать странными (в буквальном смысле — приобрести «странный» (strange) аромат — превратиться в кварк второго поколения. Странные кварки гораздо тяжеление и, в определённом смысле, сильнее, чем их верхние и нижние собратья. Если их образуется много, то вместе они образуют «странную» материю (strange matter). При этом, подобное состояние можно описать как идеальное состояние материи — суперплотная, неразрушимая, стабильнее, чем любая другая материя во вселенной. И самое страшное — материя в подобном состоянии может существовать и вне ядра нейтронной звезды, а при контакте с любой материей — так же превращать её в странную. Обычные протоны и нейтроны растворятся в этом кварковом супе, а их энергия пойдёт на создание ещё большего количества странной материи, и единственным способом избавиться от этой заразы будет зашвырнуть её в чёрную дыру.

Казалось бы — ну и что? Ну пусть внутри нейтронных звёзд похоронен подобный кошмар, он же надёжно упрятан внутри. Но, к сожалению, так случается, что нейтронные звёзды сталкиваются между собой или с чёрными дырами, и при столкновении могут высвобождаться колоссальные объёмы их внутренностей, в том числе и капельки странной материи или страпельки (strangelets). Страпельки могут быть очень малого размера, может быть даже субатомного, однако они обладают той же плотностью, что была внутри нейтронной звезды. Подобная страпелька может путешествовать в космосе после столкновения миллионы или даже миллиарды лет, пока случайно ей на пути не повстречается что-нибудь массивное — например планета. Если такая страпелька столкнётся с Землёй, она немедленно начнёт превращать всё, что встретилось ей на пути, в странную материю, и это будет продолжаться до тех пор, пока все протоны и нейтроны не будут поглощены, а сама Земля не превратится в относительно крупную страпельку, размером с астероид.

Даже если такая страпелька встретится со звездой, то последнию не минёт сия участь, и вся материя звезды так же превратится в странную. Масса такой звезды не изменится, но яркость существенно снизится, и планеты, вращающиеся по орбитам вокруг неё, замерзнут.

У нас нет никакого способа узнать о приближении такой страпельки заблаговременно, может быть, оно и к лучшему. Более того, некоторые астрофизики полагают, что подобные страпельки отнюдь не редки в нашей вселенной и вопрос встречи с одной из них — лишь вопрос времени. Чтобы оценить их распространённость достаточно сказать, что страпельки, которые возможно образовались ещё в ходе большого взыва, являются одним из кандидатов на роль тёмной материи в нашей вселенной (но это не точно!).

У нас нет никакой возможности помешать страпелькам поглотить нашу планету и всё живое, поэтому остаётся только надеяться, что, может быть, на сей раз, астрофизики что-то там напутали.

(пост подготовлен с использованием материалов Youtube-канала Kurzgesagt)