Перевод на русский Ускоренного Курса Астрономии (Crash Course Astronomy)
Перевод Crash Course Astronomy
1. Свет
2. Телескопы
3. Введение в Солнечную систему
4. Марс
5. Экзопланеты
6. Чёрные дыры
7. Нейтронные звёзды
8. В глубинах времени
БЕЛЫЙ КАРЛИК - последняя звезда во Вселенной
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.
Астрономы обнаружили огромную популяцию черных дыр в звездном скоплении Palomar 5
Древнее шаровое скопление Palomar 5 возрастом более 10 миллиардов лет содержит популяцию черных дыр, составляющую 20 процентов от его общей массы, заявили астрономы в исследовании, представленном в журнале Nature Astronomy.
«Количество черных дыр в Palomar 5 почти в три раза больше, чем ожидалось. Каждая из них массивнее Солнца примерно в 20 раз, а образовались они в результате вспышек сверхновых, когда скопление было еще очень молодым», – рассказывает Марк Гилес, ведущий автор исследования из Института космических наук при Университете Барселоны (Испания).
Шаровое скопление Palomar 5, обнаруженное в 1950 году немецким астрономом Вальтером Бааде, удалено от нас примерно на 80 тысяч световых лет в направления созвездия Змея. Оно обладает двумя отличительными особенностями: это один из самых разреженных кластеров в Галактическом гало, – совокупности старых звезд, окружающих Млечный Путь, – и из него исходят два длинных «хвоста», состоящих из выброшенных светил.
«За последние несколько лет в гало Млечного Пути обнаружено около 30 звездных потоков, однако до сих пор не удавалось понять, как они формируются. Одна из идей заключается в том, что потоки представляют собой остатки от разрушенных скоплений, но ни один из них, кроме связанных с Palomar 5, не прослеживается до источника», – отметил Марк Гилес.
С целью исследовать эволюцию Palomar 5 и понять его текущую структуру, астрономы провели компьютерное моделирование орбиты и жизненного цикла каждой звезды от формирования скопления до его окончательного рассеивания. Они меняли исходные свойства кластера до тех пор, пока не было найдено хорошее совпадение с данными наблюдений за Palomar 5 и его хвостами.
«Оказалось, что протяженная структура и звездные потоки скопления могут быть связаны с популяцией черных дыр, которые сегодня составляют около 20 процентов его массы. Их содержание превышает критический порог, при котором звезды выбрасываются быстрее и в большем количестве, чем черные дыры. Через миллиард лет гравитационное влияние этих экотических объектов выбросит все звезды из Palomar 5, оставив в нем только черные дыры», – пояснил Марк Гилес.
Авторы исследования приходят к выводу, что богатые черными дырами протяженные кластеры являются возможными прародителями и других наблюдаемых звездных потоков, которые сегодня не имеют связанных с ними источников.
https://in-space.ru/astronomy-obnaruzhili-ogromnuyu-populyat...
Сбылось главное предсказание Хокинга о черных дырах
Международная команда физиков во главе со специалистами из Массачусетского технологического института использовала гравитационные волны, что позволило впервые экспериментально подтвердить теорию Хокинга о площади черной дыры
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, а коротко о нем сообщается на сайте Массачусетского технологического института.
В рамках эксперимента физики решили проверить закон Хокинга о площади черной дыры. Его так назвали в честь знаменитого физика Стивена Хокинга, который предложил эту теорию в 1971 году. Ее называют главным предсказанием Хокинга о черных дырах.
Теория гласит, что существуют определенные правила, которым должны подчиняться даже самые экстремальные объекты во Вселенной. Хокинг предсказал, что область горизонтов событий черных дыр - это граница, за которую ничто не может выйти.
То есть площадь поверхности горизонта событий черной дыры никогда не должна уменьшаться, а может только увеличиваться. Горизонт событий - это не сама черная дыра, а радиус, при котором даже скорость света в вакууме недостаточна для достижения скорости "убегания" из гравитационного поля, создаваемого сингулярностью черной дыры.
Этот радиус пропорционален массе черной дыры. Поскольку черные дыры могут только набирать массу, то согласно общей теории относительности горизонт событий должен только увеличиваться. До сих пор все это существовало только в теории.
И вот 50 лет спустя физики из Массачусетского технологического института и других научных организаций впервые подтвердили теорию Хокинга. Они внимательно изучили событие под названием GW150914 - это первый сигнал гравитационной волны, обнаруженный обсерваторией LIGO в 2015 году. Установлено, что этот сигнал был продуктом слияния двух огромных черных дыр, которые совместно породили новую черную дыру. В результате этого слияния было выброшено огромное количество энергии, которая колебалась в пространстве-времени в виде гравитационных волн
Физики при помощи компьютерного моделирования проанализировали сигнал GW150914 до и после космического столкновения. Анализ показал, что общая площадь горизонта событий не уменьшилась после слияния. Полученные результаты стали первым прямым практическим подтверждением теории Хокинга, которая ранее была доказана только математически и до последнего времени не наблюдалась в природе.
Теперь команда физиков планирует изучить сигналы гравитационных волн, которые будут пойманы в будущем. Это позволит расширить спектр исследования и исключить вероятность случайного результата. Авторы работы говорят, что если изучение новых гравитационных волн также подтвердит теорию Хокинга, то это станет как минимум признаком так называемой новой физики, которая ставит под сомнение законы классической физики.
"Возможно, во Вселенной существует целый "зверинец", состоящий из разных компактных объектов, - говорит ведущий автор Максимилиано Иси. - И хотя некоторые из них являются черными дырами, которые следуют законам Эйнштейна и Хокинга, другие могут представлять собой несколько "иных животных". Это не означает, что вы сделали тест один раз, и он уже закончен. Когда вы сделали это один раз, это только начало".
Зафиксировано первое в истории слияние черной дыры с нейтронной звездой
Астрофизики отмечают, что два подобных события произошли в январе прошлого года с интервалом в десять дней.
Исследователи лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO и детектора гравитационных волн Virgo описали первые в мире наблюдения гравитационных волн, возникших при слиянии нейтронной звезды и черной дыры. Соответствующая статья, опубликована в журнале Astrophysical Journal Letters.
Отмечается, что явления были зафиксированы 5 и 15 января 2020 года. Данные гравитационные события назвали GW200105 и GW200115.
"Первое представляло из себя столкновение черной дыры массой около девяти солнечных масс и нейтронной звездой с 1,9 масс Солнца и произошло на расстоянии около 900 миллионов световых лет от Земли. Второе - слияние черной дыры с массой шесть солнечных и нейтронной звезды с 1,5 солнечных масс - примерно в одном миллиарде световых лет", - говорится в статье.
Предполагается, что подобные явления в пространстве до одного миллиарда световых лет от нас случаются примерно раз в месяц.
"Гравитационные волны позволяли нам обнаруживать слияние пар черных дыр и пар нейтронных звезд, однако смешанное слияние черной дыры с нейтронной звездой было неуловимым событием", - подытожили ученые.
Поиграем в бизнесменов?
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.
Аксионная бомба нарушила фундаментальный закон физики
Ученые Ланкастерского университета и Имперского колледжа Лондона в Великобритании обнаружили нарушение одного из фундаментальных законов физики — сохранения электрического заряда. Однако нарушение это происходит при крайне экзотических условиях: в сингулярности черной дыры, куда попадает так называемая аксионная бомба — особое сочетание электромагнитных и аксионных полей. Свои выводы исследователи опубликовали в немецком научном журнале Annalen der Physik. Кратко о научной работе рассказывается в пресс-релизе на Phys.org.
По словам авторов статьи, нетривиальное топологическое пространство, в том числе то, что присутствует в центре черной дыры, может нарушить сохранение заряда, то есть заряд может возникнуть из ниоткуда или быть уничтоженным. Однако это зависит и от самой природы заряда, то есть конфигурации электромагнитного поля. Чтобы продемонстрировать такое нарушение, ученые добавили в уравнения Максвелла дополнительный член — аксионный. Аксионы представляют собой гипотетические, еще не обнаруженные частицы, чье существование необходимо для сохранения CP-инвариантности. Они также являются частицами-кандидатами темной материи.
Согласно математической конструкции, разработанной учеными, в вакууме может существовать аксионное поле или топологический аксион, отличающийся от стандартного аксиона интересными физическими свойствами, связанными с топологией пространства. При приближении к сингулярности аксионное поле и связанное с ними электромагнитное поле начинают «сжиматься» и, в конечном итоге, исчезают в сингулярности, забирая с собой заряд.
В то же время ученые подчеркивают, что хотя они продемонстрировали, что в общем смысле в сингулярности может произойти что угодно, пространство-время, окружающее сингулярность, подчиняется обычным физическим законам, который ограничивает лазейки, в которых они могут нарушаться. Сама конфигурация поля не может возникнуть естественным путем, однако гипотетическая развитая цивилизация все-таки может скорректировать глобальный заряд Вселенной, если предскажет наступление временной сингулярности, такой как испаряющаяся черная дыра.