Каждую секунду во Вселенной умирает звезда. Однако эти небесные тела не просто полностью исчезают, а всегда что-то оставляют после себя. Некоторые из них вспыхивают сверхновыми, превращаясь в черную дыру или нейтронную звезду, однако большинство звезд становятся белыми карликами – ядрами звезд, которыми они когда-то были. Эти объекты могут сиять до последних дней Вселенной. А их способность выжить при встрече с черной дырой и вовсе поражает. Но как это возможно? Почему черная дыра ему не страшна? Как рождаются белые карлики? И что случится, когда и они в конце концов умрут? Давайте попробуем разобраться в этих вопросах.
В декабре 2018 года космический телескоп XMM-Newton зафиксировал вспышку рентгеновского излучения, испущенную из центра галактики GSN 069.
Она расположена на расстоянии 250 миллионов световых лет от Млечного пути. GSN 069 увеличила свою светимость в рентгеновском диапазоне в два раза: в течение последующего часа её активность вернулась к привычным показателям, а через 9 часов процесс повторился вновь.
В последующие годы ученые провели новые наблюдения GSN 069 и вновь зафиксировали аналогичные рентгеновские вспышки, происходящие с интервалом в 9 часов. Что же это значит?
Нам известно, что в центре GSN 069 находится сверхмассивная черная дыра, масса которой примерно в полмиллиона раз превышает массу Солнца. И именно она испускает рентгеновские лучи в очень устойчивом темпе каждые девять часов. Вспышки настолько энергичны и регулярны, что сверхмассивная черная дыра, должно быть, съедает массу планеты Меркурий три раза в день. Так что же кормит эту черную дыру таким огромным обедом?
В марте 2020 года ученые нашли ответ - несчастная звезда в конце своей жизни забрела в зону смерти черной дыры. Но самое интересное, что это не простая звезда. Звезды, которые слишком близко подходят к черной дыре - разрываются на части. Но каким-то образом одна из звезд переживает сближение со сверхмассивной черной дырой снова и снова.
Дальнейшее исследование показало, что это небольшая компактная звезда - белый карлик. Так что же делает эту крошечную звезду почти неразрушимой? Ответ заключается в том, как формируется белый карлик.
97% всех звезд заканчивают свое существование белыми карликами. Есть два способа как это может произойти:
Маленькие звезды, еще называемые "красными карликами", о которых мы расскажем в одном из следующих наших видео, выгорают на протяжении триллионов лет, пока постепенно не превратятся в белых карликов.
Звезды среднего размера, как наше солнце - более интересный случай. Представьте Солнце как огромную скороварку которая превращает водород в гелий внутри себя при помощи гравитации. Слияние элементов высвобождает огромное количество энергии, которая выталкивается наружу и стабилизирует звезду в хрупком равновесии.
Когда звезда стареет, водород в ядре заканчивается и она начинает сжигать гелий, создавая более тяжелые элементы в ее центре. Делая это, звезда теряет свой внешний слой. Она расширяется примерно в 100 раз по сравнению с её первоначальным размером. Спустя время желтая звезда становится красным гигантом. И в конце концов красный гигант сбрасывает свои внешние слои. И более чем половина массы звезды будет выброшена в пространство, в виде захватывающей планетарной туманности, диаметром в миллионы километров.
Звезда, которая заканчивает свою жизнь в одной из этих планетарных туманностей, оставляет после себя ядро, известное как белый карлик. Бывший ранее в 100 раз больше в диаметре, сейчас он примерно такой же по размерам как и Земля, и имеет половину от изначальной массы. Это означает, что он чрезвычайно плотный.
В галактике GSN 069 сверхмассивная черная дыра запустила этот процесс с ускорением. Как только красный гигант был захвачен гравитацией черной дыры, внешние слои звезды, содержащие водород, были сорваны и устремились к черной дыре, оставив только ядро звезды. Это ядро, или по другому - белый карлик, составляет всего пятую часть массы Солнца. Но как может такая маленькая звезда выжить, находясь так близко к черной дыре?
Можно подумать, что из-за того, что белый карлик мал, он не продержится очень долго, потому что в нём меньше энергии . Оказывается, все совсем наоборот.
Если бы это была обычная звезда, она бы давно была уничтожена. Но представьте, что вы берете солнце и сжимаете его до размера Земли, масса остается та же, но упакована она гораздо плотнее. Таким образом, баскетбольный мяч из вещества этой звезды весил бы столько же, сколько 35 голубых китов. Экстремальная плотность белого карлика защищает его от гравитационного натиска сверхмассивной черной дыры.
Орбита белого карлика проходит рядом с черной дырой каждые девять часов. И каждый раз, когда он приближается к черной дыре, часть его материи вытягивается. Они играют друг с другом в межзвездное перетягивание каната. Чёрная дыра больше, так что она победит. Однако белый карлик очень плотный, поэтому он будет оставаться на её орбите в течение миллиардов лет.
Когда астрономы впервые обнаружили белых карликов, они подумали, что подобные объекты не должны существовать. Как могло что-то иметь такую экстремальную плотность и не рухнуть под собственным весом? Квантовая механика, наука об атомных и субатомных частицах, помогла найти ответ.
Мы привыкли к правилам физики здесь, в макроскопическом мире. Но когда вы приближаетесь к субатомному миру, все становится очень странным. Здесь у нас есть электрон, одна из легчайших элементарных частиц во Вселенной, и именно эти маленькие электроны выполняют работу по поддержке целой звезды. Атомы начинают сжиматься, теряя внутренние энергетические связи. Увеличившаяся плотность объединяет электроны в новую субстанцию — вырожденный электронный газ. В таком состоянии электроны плотно взаимодействуют друг с другом, противодействуя силам гравитационного сжатия. Образуется так называемое голое ядро, которое не имеет внешней оболочки.
Эти вырожденные электроны останавливают коллапс белых карликов, но они придают звездам странные качества. Белые карлики ведут себя совсем иначе, чем обычная материя. Возьмем планеты и обычные звезды - они становятся больше, когда набирают массу. Белые карлики - полная противоположность. По мере того как они набирают массу, они становятся меньше. Чем массивнее белый карлик, тем сильнее сжимаются электроны и тем меньше и плотнее становится звезда. Но как долго могут сиять такие звёзды?
Они могут быть последними источниками света и энергии в умирающей вселенной. По некоторым оценкам, белые карлики могут сиять около 100 миллиардов лет. Это в десять раз дольше чем Вселенная существует сейчас, так долго, что никакая обычная звезда уже сиять не будет. Галактики испарятся и только тогда первый белый карлик превратится в первого черного карлика
И тогда Вселенная войдет в свою последнюю фазу - тепловую смерть, которая сделает её неузнаваемой. Абсолютно темным и холодным кладбищем с черными дырами и черными карликами, разбросанными на триллиарды световых лет. Мы точно не знаем что случится с черными карликами в конце. Если протон - один из фундаментальных составляющих атома имеет ограниченную продолжительность жизни, черные карлики медленно испарятся в течение многих триллионов лет.
Если протоны не распадаются, Черные карлики, вероятно, превратятся в сферы чистого железа путем квантового туннелирования через какой-то промежуток времени, столь большой, что его нормально назвать вечностью. Эти железные сферы будут путешествовать абсолютно одни сквозь чёрную Вселенную. И ничего нового, никогда, больше не произойдет.
Но не имеет значения что произойдет через миллиарды лет. Прямо сейчас Мы живем в прекрасное время, которое позволяет узнавать всё больше и больше о Вселенной наполненной бесконечным количеством звезд, света и планет.
