В современной астрофизике гравитационно-волновая астрономия совершает один прорыв за другим, позволяя ученым заглянуть в самые темные уголки Вселенной и исследовать объекты, которые ранее считались невидимыми. Недавнее открытие, зафиксированное детекторами LIGO и Virgo, поставило перед научным сообществом фундаментальный вопрос: где именно проходит граница между самыми массивными нейтронными звездами и самыми легкими черными дырами? Ведущий научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбирает уникальное слияние объектов с колоссальной разницей в массах, которое бросает вызов существующим астрофизическим моделям и нашему пониманию экстремальных состояний материи.
🌌 Загадочный объект в «массовом разрыве» 0:00
Астрофизика вступила в эпоху, когда восторг от самого факта обнаружения гравитационных волн сменяется глубоким анализом уникальных физических явлений, которые эти волны помогают регистрировать . Последние данные, опубликованные коллаборацией LIGO-Virgo, преподнесли ученым настоящий сюрприз . При анализе формы гравитационной волны, возникшей в результате слияния двух компактных объектов, исследователи обнаружили крайне необычное соотношение масс .
Один из участников слияния оказался типичной и весьма массивной черной дырой, весившей около 23 масс Солнца . Однако его компаньон озадачил ученых: его масса составляла всего около 2,6 массы Солнца . Этот крошечный по космическим меркам объект находится прямо на границе того, что физика считает пределом для существования нейтронной звезды, и одновременно на нижнем пороге для черной дыры . Открытие заставляет ученых пересмотреть границы возможного для обоих типов сверхплотных объектов .
📡 Как гравитационные волны раскрывают тайны космоса 1:46
Для регистрации этого события использовались сложнейшие инструменты гравитационно-волновой астрономии — лазерные интерферометрические обсерватории LIGO в штатах Вашингтон и Луизиана (США), а также детектор Virgo в Италии . Принцип работы этих обсерваторий основан на высокоточных измерениях физических параметров пространства:
- Длина плеч интерферометров составляет от 2 до 4 километров .
- Внутри вакуумных труб лазерный луч расщепляется и направляется по двум перпендикулярным направлениям .
- Проходящая гравитационная волна микроскопически изменяет длину плеч интерферометра, сдвигая фазу лазерного луча при его воссоединении на детекторе .
Эти изменения настолько малы, что требуют фильтрации колоссального количества земных шумов. Тем не менее, сигнал от слияния был последовательно зафиксирован всеми тремя обсерваториями с разницей в доли секунды, что позволило ученым триангулировать положение источника на небесной сфере .
💫 Поиски светового эха: почему молчали телескопы? 3:03
Когда детекторы фиксируют подобное событие, астрономы по всему миру мгновенно направляют оптические, рентгеновские и гамма-телескопы в нужную область неба в поисках электромагнитного излучения . В 2017 году при слиянии двух нейтронных звезд (событие GW170817) ученые наблюдали мощную вспышку света — килоновую, которая дала колоссальный объем научной информации . Однако в случае слияния объекта массой 2,6 массы Солнца с черной дырой телескопы не зафиксировали абсолютно никакого светового сигнала .
Ведущий PBS Space Time выделяет две возможные причины этого «молчания»:
- Объект изначально был черной дырой. Если меньшее тело уже являлось черной дырой, при слиянии двух черных дыр не происходит выделения вещества или электромагнитного излучения — выделяется только гравитационная энергия .
- Нейтронная звезда была проглочена целиком. Если объект массой 2,6 массы Солнца был нейтронной звездой, огромная разница в массах (23 против 2,6) могла привести к тому, что гигантская черная дыра поглотила звезду целиком, не успев разорвать ее приливными силами . Без разрушения вещества нейтронной звезды вспышки света произойти не могло.
🔬 Пределы плотности: физика нейтронных звезд 4:37
Чтобы понять, чем именно был загадочный объект, необходимо обратиться к физике нейтронных звезд. Они рождаются в результате взрывов сверхновых, когда у массивной звезды заканчивается термоядерное топливо и ее ядро коллапсирует под действием собственной гравитации . Вещество сжимается до такой степени, что электроны «вдавливаются» в протоны, образуя нейтроны.
Свойства получившейся материи поражают воображение:
- Плотность нейтронной звезды такова, что чайная ложка ее вещества весила бы на Земле около миллиарда тонн .
- Гравитация на поверхности настолько сильна, что скорость убегания (вторая космическая скорость) приближается к скорости света .
При увеличении массы нейтронной звезды происходит удивительный с точки зрения классической физики процесс: из-за колоссальной силы тяжести с ростом массы физический размер (радиус) звезды не увеличивается, а уменьшается . Это делает силу тяжести на ее поверхности еще более экстремальной. Единственное, что противостоит полному коллапсу звезды в точку (черную дыру) — это квантовомеханическое давление вырожденного нейтронного газа . На еще более глубоких уровнях плотности нейтроны могут разрушаться, превращаясь в гипотетическую кварковую материю (состоящую из верхних, нижних и странных кварков) .
⚖️ Предел Толмена — Оппенгеймера — Волкова и загадка «массового разрыва» 7:56
Максимальная масса, которую может выдержать нейтронная звезда перед тем, как окончательно сколлапсировать в черную дыру, называется пределом Толмена — Оппенгеймера — Волкова (TOV) . Точное значение этого предела зависит от уравнения состояния сверхплотной материи, которое физикам до сих пор до конца не известно.
По словам ведущего, современные модели и наблюдения дают следующие ориентиры:
- Анализ слияния нейтронных звезд в 2017 году позволил ограничить максимальную массу невращающейся нейтронной звезды диапазоном в 2,2–2,3 массы Солнца .
- Самые тяжелые из известных вращающихся пульсаров в нашей Галактике имеют массу около 2,0–2,14 массы Солнца .
- С другой стороны, самые легкие черные дыры, обнаруженные в двойных рентгеновских системах, имеют массу не менее 5 масс Солнца .
Промежуток между 2,5 и 5 массами Солнца в астрофизике называют «массовым разрывом» (mass gap) . До недавнего времени ученые практически не находили объектов в этом диапазоне. Согласно существующим моделям эволюции звезд, при взрыве сверхновой вещество либо разлетается, оставляя после себя нейтронную звезду легче 2,2 масс Солнца, либо полностью падает обратно на ядро (процесс fallback), мгновенно формируя черную дыру массой от 5 масс Солнца и выше . Объект массой 2,6 массы Солнца ломает эти представления, заставляя теоретиков пересматривать механизмы взрывов сверхновых и рассчитывать новые модели коллапса звездных ядер .
💬 Ответы на вопросы зрителей: экстремальная физика черных дыр и антивещество 12:07
Во второй части видео ведущий отвечает на интересные вопросы подписчиков канала PBS Space Time, касающиеся других экстремальных физических концепций.
Можно ли предотвратить образование горизонта событий с помощью электрического заряда?
Один из зрителей поинтересовался, можно ли теоретически добавить черной дыре так много одноименного электрического заряда, чтобы электромагнитное отталкивание компенсировало гравитацию и не дало сформироваться горизонту событий . Ведущий объясняет, что в рамках общей теории относительности существует концепция экстремальной заряженной черной дыры (метрика Райснера — Нордстрёма) . Однако на практике создать такой объект невозможно:
- По мере накопления заряда черной дыре становится все труднее притягивать новые частицы того же знака из-за электромагнитного отталкивания .
- В реальной Вселенной высокозаряженное тело мгновенно притянет к себе противоположно заряженные частицы из окружающего космоса и нейтрализует себя .
Замедление времени и испарение черных дыр
Другой вопрос касался парадокса: если из-за релятивистского замедления времени далекому наблюдателю кажется, что падающий в черную дыру объект застывает на горизонте событий навечно, то как этот объект может физически попасть внутрь до того, как черная дыра полностью испарится за счет излучения Хокинга? Ведущий поясняет, что с точки зрения внешнего наблюдателя, черная дыра действительно теряет массу (испаряется), и траектории падающего вещества будут пересекаться с уменьшающимся во времени горизонтом событий . Для самого же падающего наблюдателя собственное время течет совершенно нормально, и он пересечет горизонт событий за конечный и очень короткий промежуток времени .
Существуют ли галактики из антивещества?
На вопрос о том, могут ли во Вселенной существовать целые галактики, состоящие исключительно из антивещества, автор видео дает отрицательный ответ . Если бы такие галактики существовали, они неизбежно граничили бы с областями обычного вещества . На стыке этих сред происходил бы непрерывный процесс аннигиляции частиц и античастиц, сопровождающийся мощнейшим и легко регистрируемым гамма-излучением . Поскольку современные космические обсерватории не фиксируют подобных фоновых гамма-вспышек на границах галактических скоплений, физики сходятся во мнении, что наблюдаемая Вселенная практически полностью состоит из обычного вещества .
