# Загадка «разрыва масс»: что скрывает пограничный объект весом 2,6 Солнца? Источник: https://www.youtube.com/watch?v=As7vWYmb5L8 Канал: PBS Space Time Опубликовано: 20.07.2020 --- Астрофизики столкнулись с загадкой, способной переписать наше понимание эволюции звезд. Обнаружение слияния массивной черной дыры с таинственным объектом массой 2,6 массы Солнца поставило под сомнение существование так называемого «разрыва масс». В новом выпуске научно-популярного шоу PBS Space Time ведущий разбирает, кем на самом деле является этот пограничный объект — рекордно тяжелой нейтронной звездой или самой легкой из известных черных дыр. ## 🌌 Открытие на границе миров [[JUMP:0:00]] Гравитационно-волновая астрономия открыла человечеству окно в самые экстремальные уголки Вселенной [0:00]. Долгое время считалось, что между самыми тяжелыми нейтронными звездами и самыми легкими черными дырами существует четкая граница — так называемый «разрыв масс» (mass gap) [0:13]. Однако недавнее открытие, зафиксированное детекторами гравитационных волн, бросает вызов традиционным астрофизическим моделям [0:25]. Во время третьего цикла наблюдений обсерваторий LIGO и Virgo исследователи зафиксировали сигнал от слияния двух экстремально плотных объектов [0:39]. Анализ формы гравитационной волны показал поразительные результаты: * Первый объект: классическая черная дыра с массой около 23 масс Солнца [1:07]. * Второй объект: загадочный компаньон с массой всего 2,6 массы Солнца [1:20]. Этот второй объект оказался прямо посередине предполагаемого «разрыва масс» [1:32]. Он слишком тяжелый, чтобы укладываться в стандартные теоретические лимиты для нейтронных звезд, но при этом невероятно легкий для черной дыры, что ставит перед научным сообществом фундаментальный вопрос о природе этого космического тела [1:32]. ## 📡 Как LIGO и Virgo ловят эхо космоса [[JUMP:1:46]] Чтобы понять, насколько надежны эти данные, необходимо обратиться к механизму работы гравитационных обсерваторий [1:46]. Детекторы LIGO (в Вашингтоне и Луизиане) и Virgo (в Италии) представляют собой гигантские L-образные лазерные интерферометры с длиной плеч до четырех километров [1:59]. Принцип работы систем: * Лазерный луч расщепляется на два потока, направляемых по перпендикулярным вакуумным трубам [2:11]. * Отражаясь от подвешенных зеркал, лучи возвращаются и воссоединяются [2:11]. * Проходящая гравитационная волна микроскопически изменяет длину плеч интерферометра, вызывая фазовый сдвиг лазерного излучения [2:23]. Эти детекторы способны фиксировать искажения пространства-времени на масштабах, которые меньше диаметра протона [2:23]. Когда гравитационная волна проходит сквозь Землю, детекторы регистрируют ее последовательно, что позволяет не только рассчитать массы сливающихся объектов, но и локализовать их положение на небесной сфере [2:36]. В случае с объектом массой 2,6 солнечных масс астрономы смогли сузить область поиска источника, однако обнаружить видимый световой сигнал не удалось [2:50]. ## 💥 Молчаливое слияние: почему не было вспышки? [[JUMP:2:50]] В 2017 году слияние двух нейтронных звезд (событие GW170817) вызвало колоссальный интерес, поскольку сопровождалось мощнейшей вспышкой килоновой, которую зафиксировали десятки телескопов по всему миру [3:17]. Это дало ученым огромный объем информации о синтезе тяжелых элементов [3:31]. Однако новое событие со слиянием объекта массой 2,6 солнечных масс оказалось абсолютно «темным» [3:57]. По мнению автора видео, отсутствие электромагнитного эха может объясняться двумя основными причинами: 1. Экстремальное расстояние: слияние произошло слишком далеко от Земли, чтобы существующие оптические и радиотелескопы могли зафиксировать слабую вспышку [3:57]. 2. Поглощение целиком: гигантская черная дыра (23 массы Солнца) могла просто поглотить меньший объект целиком, не разрушая его приливными силами на подлете и не формируя яркий аккреционный диск [4:10]. Если верна вторая гипотеза, то загадочный объект просто исчез за горизонтом событий без следа, оставив физикам лишь гравитационную сигнатуру для размышлений [4:23]. ## ⚖️ Физика экстремальных плотностей: нейтронные звезды против черных дыр [[JUMP:4:37]] Чтобы понять суть границы между объектами, необходимо углубиться в их внутреннее строение [4:37]. Нейтронные звезды рождаются в результате взрывов сверхновых, когда ядро массивной звезды коллапсирует под действием гравитации [4:50]. Если масса ядра укладывается в определенные пределы, давление вырожденного нейтронного газа останавливает дальнейшее сжатие [5:02]. Плотность вещества в нейтронной звезде не поддается земному воображению: один кубический сантиметр ее материи весит сотни миллионов тонн [5:16]. Однако у этой стабильности есть предел. При увеличении массы нейтронной звезды происходит удивительный парадокс: * В отличие от привычных нам объектов, с увеличением массы физический размер нейтронной звезды уменьшается [6:11]. * Одновременно с ростом массы радиус ее горизонта событий (гравитационный радиус Шварцшильда) увеличивается [6:25]. * В определенный момент, известный как предел Толмена — Оппенгеймера — Волкова (TOV), физический радиус звезды становится меньше радиуса ее горизонта событий [6:38]. В эту секунду звезда неизбежно превращается в черную дыру [6:50]. ## 🧩 Загадка уравнения состояния и «разрыв масс» [[JUMP:7:42]] Точный предел массы нейтронной звезды зависит от так называемого «уравнения состояния» (Equation of State) сверхплотной материи [7:42]. Физикам до сих пор неизвестно, как именно ведут себя нейтроны и кварки в центре таких объектов — превращаются ли они в кварк-глюонную плазму или в гипотетическую «странную материю» [7:42]. Расчеты, основанные на гравитационном слиянии 2017 года, указывают на то, что максимальная масса стабильной нейтронной звезды составляет примерно 2,2–2,3 массы Солнца [8:23]. С другой стороны, самые легкие черные дыры, наблюдаемые в двойных рентгеновских системах, обычно имеют массу не менее 5 масс Солнца [9:28]. В результате между 2,5 и 5 массами Солнца образуется загадочный пустой промежуток — «разрыв масс» [9:40]. Объект массой 2,6 солнечных масс ломает эту картину [10:08]. Если это нейтронная звезда, то физикам придется полностью пересмотреть уравнения состояния сверхплотной материи, допустив существование неожиданно жестких ядерных сил [10:34]. Если же это черная дыра, то астрофизикам нужно пересмотреть модели звездной эволюции и механизмы взрывов сверхновых, которые до сих пор не предполагали формирование столь легких черных дыр при коллапсе [10:46]. ## 💬 Ответы на вопросы зрителей: черные дыры и излучение Хокинга [[JUMP:11:13]] В традиционной рубрике ответов на вопросы ведущий PBS Space Time коснулся нескольких популярных тем, волнующих сообщество [11:13]. Один из зрителей поинтересовался, можно ли электрически зарядить черную дыру до такой степени, чтобы ее горизонт событий исчез под действием электромагнитного отталкивания [12:21]. По словам ведущего, теоретические уравнения допускают такое состояние (экстремальная черная дыра), однако в реальности добавить лишний заряд становится все труднее по мере накопления одноименного заряда, поэтому природа эффективно защищает горизонт событий от «раздевания» [12:34]. Также был разобран классический парадокс падения в черную дыру [13:14]. С точки зрения удаленного наблюдателя, падающий объект будет бесконечно замедляться у горизонта событий из-за релятивистского замедления времени [13:26]. Однако сам падающий наблюдатель пересечет горизонт событий за конечное собственное время [13:26]. По мнению ведущего, излучение Хокинга со временем испарит черную дыру, и для удаленного наблюдателя падающий объект буквально «увидит», как черная дыра испаряется прямо под ним, хотя детальное физическое описание этого процесса на стыке квантовой механики и общей теории относительности все еще остается предметом ожесточенных дискуссий [13:40].