В октябре 2023 года астрофизики из Канады, США и Нидерландов опубликовали статью об обнаружении сверхмассивного белого карлика в звездном скоплении Гиад.
Что тут необычного?
Любой однородный участок земли с растительностью стремится стать хвойным лесом — и тропинка, и лесок (лиственный), в поле каждый колосок! А к чему всё идет в масштабах Вселенной? Почти все, что мы видим на ночном небе — звезды. Тяжелые станут черными дырами, легкие сбросят внешние слои, оставив только ядро, и станут белыми карликами, средние станут нейтронными звездами. Раз к этому все идет, и препятствий особых нет — мы должны наблюдать очень много черных дыр, белых карликов и нейтронных звезд. Однако, например, в скоплении Гиад белых карликов немного.
Гиадам не хватает белых карликов
Конечно, нейтронные звезды и белые карлики — маленькие и тусклые объекты, а черные дыры вообще сами не светятся, наблюдать их сложнее, чем обычные звезды или квазизвездные объекты типа раскаленного газа вокруг черных дыр. Но все же процесс эволюции материи в нашей Вселенной односторонний — газопылевые облака собираются в звезды, звезды становятся черными дырами, нейтронными звездами и белыми карликами, в каждом из трех случаев рождая новые газопылевые облака. И вот в скоплении Гиад, где почему-то не было обнаружено 75 % от предсказанного теорий количества белых карликов, нашли перспективного кандидата.
Этот карлик слишком велик
Он оказался более чем в 1,3 раза массивнее нашего Солнца. Это очень много. Существует верхний предел массы, при котором звезда может существовать как белый карлик — предел Чандрасека́ра — примерно 1,39 солнечных масс. Найденный кандидат вплотную подходит к этому пределу, а может и пересекает его. С другой стороны, максимальная масса звезд, из которых могут получиться белые карлики, определена не очень точно: по некоторым оценкам в районе 8, а по другим до 12 солнечных масс. При этом самая легкая нейтронная звезда имеет массу 0,77 солнечных, а самая легкая черная дыра, скорее всего, — 3,3 солнечных массы. С самыми простыми вещами в наблюдаемой вселенной — скоростями и массами — творятся очень странные дела.
Этот карлик далеко пойдет
Помимо всего прочего, белый карлик имеет высокую скорость и, видимо, уже покинул скопление Гиад. Ученые предполагают, что еще при жизни нормальной звездой претендент имел вторую половинку — был частью системы из двух звезд. После сброса внешних слоев пара распалась, что запустило белого карлика подальше от родного звездного скопления. Это обоснованное предположение, однако трудно быть уверенным в познании механизма, наблюдать который непосредственно очень сложно.
В итоге наблюдения таких объектов могут помочь уточнить параметры, важные для понимания облика Вселенной.
Чем все закончится?
Задавать детские вопросы сложным концепциям — навык, которым я не владел даже в сознательном детстве — старшей школе и на первых курсах института. Что будет с конечной формой звездной эволюции? Какой фундаментальный закон физики запрещает конечной форме эволюционировать дальше? Эти и многие другие логичные вопросы мне не приходили в голову, когда я был ближе всего к самому доступному источнику знаний. Я был в плену отсутствия общественного мнения — раз никто ни в чем не усомнился, значит тут не о чем разговаривать. Это когнитивный тупик для людей, желающих казаться умными. Автора детских вопросов, скорее всего, сочтут глупым. Однако способность придумать оригинальный детский вопрос к любой замудреной теории — навык, который я воспитаю в себе в период жизни, когда при знакомстве спрашивают не "сколько у тебя денег?", а "сколько тебе лет?".
Забудем на минуту о любых вариантах смерти Вселенной — тепловой, большом схлопывании, большом остывании, циклической Вселенной... Предположим, у нас бесконечное время. Что останется от звезд в самом конце?
Белые карлики
Думаю, все читатели этого канала знают, что в звездах легкие ядра атомов — от водорода до железа — объединяются в более тяжелые под действием огромных температур и давлений с выделением лучистой энергии. Но нужны ли вообще какие-то условия для такого процесса? По правилам квантовой механики — нет. Легкие ядра сами собой будут преодолевать кулоновское отталкивание положительных протонов друг от друга и объединяться с выделением энергии. Температура и давление лишь повышают вероятность этого события. При 15 миллионах градусов в ядре нашего Солнца эта вероятность — 1 на 10 в 28 степени, и она срабатывает примерно раз в секунду. Белые карлики потратят все свое термоядерное топливо и остынут до черных карликов за 10 в 15 степени лет. Затем, процесс нуклеосинтеза замедлится, но никогда не остановится полностью. Черные карлики станут железными звездами за 10 в степени 1500 лет.
Нейтронные и железные звезды
Нейтронные звезды, как и железные звезды, в еще более тупиковом положении. Процессы с выделением энергии в них неумолимо угасают. Могут ли они начать становиться плотнее за счет синтеза более тяжелых ядер, если на это требуется энергия, а ее нет? В квантовой механике — да. Даже процессы, требующие затрат энергии, происходят при ее дефиците, но с низкой вероятностью. Нейтронная звезда полностью остынет за 10 в 22 степени лет. То, что останется, как и железные звезды за 10 в степени 10 в степени 76 лет должно превратиться в черную дыру.
Черные дыры
Черные дыры тоже не вершина звездной эволюции. Физики предполагают, что они испаряются благодаря излучению Хокинга. Если это так, потребуется до 10 в 103 степени лет, чтобы черные дыры, какими мы их себе представляем, полностью испарились. Что конкретно при этом произойдет — не совсем понятно. Сможет ли материя расколлапсировать обратно? Здесь уже начинается дорога слишком больших спекуляций для любых адекватных ответов. Итог — все звезды станут излучением Хокинга. Весь газ, который ничем не стал, так им и останется.
Что запрещает дальнейшую эволюцию?
Кажется, конец стабильной Вселенной похож на ее начало — какие-то частицы, какое-то излучение, почему бы из этого всего снова не собрать звезды и начать с начала? Тут настала максимальная энтропия. Всю свою эволюцию Вселенная шла от менее вероятного состояния к наиболее вероятному. Рассеянное состояние энергии — как в пространстве, так и во времени — наиболее вероятное состояние. Из-за этой рассеянности полезную работу Вселенная, состоящая из излучения Хокинга, уже не произведет. Растянутое на безумное количество лет воздействие — бесплодно. Так что вот он, конец, и вот его причина. Впрочем, процессы дольше предполагаемого времени жизни Вселенной — тоже достаточно спекулятивная тема. Вполне возможно, появятся более реалистичные или же более радикальные предположения.
К любым предположениям физиков у нас будет ряд детских вопросов. Всем желаю научиться их задавать в любом возрасте.
P.s.: Первая статья без единой иллюстрации. Будет дополнена в течении ближайшего месяца.
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал
