Математические уравнения современной физики скрывают в себе удивительные и порой пугающие объекты, реальность которых долгое время оставалась под вопросом. Ведущий научно-популярного канала PBS Space Time Мэтт О'Дауд рассказывает о теоретических моделях экстремальных космических тел — «странных звезд», состоящих целиком из кварков. Исследования этих гипотетических объектов находятся на стыке общей теории относительности и квантовой механики, предлагая совершенно новый взгляд на эволюцию массивных светил и стабильность материи во Вселенной.
🌌 Нейтронные звезды: на границе привычной физики 1:36
Нейтронные звезды образуются в результате финального коллапса ядер массивных светил после исчерпания всех запасов топлива для термоядерного синтеза. В процессе катастрофического сжатия под действием колоссальной гравитации электроны и протоны буквально вдавливаются друг в друга, превращаясь в нейтроны. Ядро радиусом около 10 километров останавливает свое падение, когда плотность вещества достигает абсолютного физического предела. В этот момент внешние слои падающей звезды сталкиваются с новообразованным сверхплотным ядром и рикошетят наружу, вызывая один из самых мощных взрывов во Вселенной — сверхновую.
Оставшийся после взрыва космический объект обладает экстремальными характеристиками:
- Температура поверхности новорожденной звезды достигает миллионов Кельвинов.
- Скорость вращения может составлять тысячи оборотов в секунду.
- Колоссальное магнитное поле формирует узконаправленные потоки излучения — джеты, которые из-за прецессии периодически проносятся мимо Земли, фиксируясь астрономами как пульсары.
Обычная нейтронная звезда покрыта тонкой твердой корой из железа, под которой скрывается жидкость из чистых нейтронов — нейтрониум. По имеющимся научным данным, это самое плотное известное вещество во Вселенной: один кубический сантиметр нейтрониума весит около миллиарда тонн.
🔬 Вырождение материи и появление кварковой плазмы 3:09
Нейтрониум представляет собой так называемую вырожденную материю. Это означает, что составляющие его частицы сжаты до предела и не могут сблизиться еще сильнее, поскольку это заставило бы их занять одинаковые квантовые состояния, что строго запрещено принципом исключения Паули для фермионов. Однако ученые не могут воссоздать подобные условия в земных лабораториях и точно проверить, как ведет себя нейтрониум под колоссальным давлением в самом центре звезды.
Согласно теоретическим моделям, в ядре нейтронной звезды плотность упаковки частиц настолько высока, что индивидуальные нейтроны начинают перекрываться. Это может приводить к тому, что нейтроны «растворяются», высвобождая составляющие их элементарные частицы — кварки.
Физики выделяют несколько особенностей такого состояния вещества:
- Газоподобная кварк-глюонная плазма заполняла всю Вселенную в кварковую эпоху — примерно через одну миллионную долю секунды после Большого взрыва.
- Микроскопические объемы кварковой плазмы физики успешно воссоздают на Земле с помощью крупнейших ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер, фиксируя продукты ее распада после высокоскоростных столкновений.
- В отличие от ускорителей или ранней Вселенной, где температура превышает триллион Кельвинов, в ядре нейтронной звезды кварковая материя рождается под воздействием безумного давления, из-за чего она переходит в состояние сверхжидкости.
Объекты, внутри которых сформировалось подобное сверхплотное ядро, исследователи называют кварковыми звездами.
💎 Странные звезды: абсолютно стабильные объекты Вселенной 4:55
В составе обычных нейтронов находятся кварки двух типов: один верхний (up) и два нижних (down) кварка. Как отмечает Мэтт О'Дауд, кварковая материя, состоящая только из этих двух типов частиц, требует колоссального внешнего давления для сохранения своей стабильности вне атомного ядра. Это исключает возможность существования изолированной звезды, построенной только из таких компонентов, если только в дело не вступает «странность».
По мнению ряда физиков-теоретиков, под экстремальным давлением внутри ядра половина нижних кварков может превратиться в более массивные странные (strange) кварки. В результате образуется странная материя. Наличие трех типов кварков вместо двух позволяет частицам эффективнее обходить ограничения принципа Паули и занимать более низкие квантовые энергетические состояния.
Из-за этого низкого энергетического уровня странная материя может оказаться самой стабильной формой вещества во Вселенной, превосходящей по стабильности даже железо. Теоретически, звезда, полностью состоящая из странной материи, будет абсолютно устойчивой и сможет существовать вечно. Такие гипотетические тела получили название «странные звезды».
💥 Электрослабые звезды: сжигание кварков в ядре 6:13
Физики не ограничиваются моделью странных звезд и предлагают еще более радикальные сценарии для описания экстремальных состояний материи. Если плотность в центре коллапсирующего светила оказывается запредельной, условия там начинают напоминать состояние Вселенной в первые мгновения ее существования — менее одной миллиардной доли секунды после Большого взрыва. В ту эпоху фундаментальные силы природы еще не разделились: электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия были единой электрослабой силой.
В рамках этой концепции выдвинута гипотеза о существовании электрослабых звезд. Предполагается, что в их центре формируется объект размером с яблоко, но с массой двух планет Земля, в котором «сгорают» сами кварки. Мэтт О'Дауд указывает, что выделяющаяся при этом энергия практически полностью уносится нейтрино. Этот мощный поток нейтринного излучения создает внутреннее давление, способное остановить окончательный коллапс объекта в черную дыру примерно на миллион лет.
🔭 Астрономические кандидаты: монстры в уравнениях и реальности 7:20
Теоретические расчеты астрофизиков подкрепляются реальными космическими аномалиями. Наиболее ярким кандидатом на роль кварковой или странной звезды считается объект 3C58 в созвездии Кассиопеи. В 1181 году китайские и японские астрономы зафиксировали в этой области неба рождение новой звезды, которая постепенно угасла за шесть месяцев. Спустя почти тысячу лет радиотелескопы и космическая рентгеновская обсерватория Chandra обнаружили в этой точке молодой и быстро вращающийся пульсар.
При детальном изучении 3C58 обнаружились необъяснимые с точки зрения классических моделей факты:
- Данные рентгеновских наблюдений показали, что температура поверхности пульсара составляет всего около 1 миллиона Кельвинов. Это значительно холоднее, чем должна быть обычная нейтронная звезда в таком возрасте.
- В качестве объяснения ученые выдвинули гипотезу, согласно которой внутри пульсара сформировалось кварковое ядро, переходящее в странную материю. Процесс превращения нижних кварков в более массивные странные требует затрат энергии, которую система забирает из теплового запаса звезды, тем самым ускоренно охлаждая ее.
Существуют и другие космические аномалии, указывающие на реальность таких объектов. Некоторые обнаруженные пульсары имеют слишком малый радиус для своей массы, что намекает на сверхвысокую плотность кварковой материи.
Кроме того, фиксируются аномально яркие и продолжительные вспышки сверхновых. Ученые предполагают, что их причиной может быть вторичный внутренний взрыв, происходящий в момент, когда нейтронная звезда сжимается и перестраивается в кварковую. Даже на месте знаменитой сверхновой, вспыхнувшей в Большом Магеллановом Облаке в 1987 году (SN 1987A), астрономы до сих пор не могут обнаружить предсказанную нейтронную звезду, что оставляет открытой гипотезу о формировании там скрытого кваркового объекта.
📐 Геометрия Вселенной и ответы на вопросы зрителей 10:33
В заключительной части выпуска Мэтт О'Дауд ответил на вопросы аудитории по следам прошлых эпизодов. Подписчица под ником Pixel Girl поинтересовалась: если наше трехмерное пространство искривлено, не должны ли треугольники в нем все равно казаться нам плоскими?
Комментируя этот вопрос, ведущий разъяснил популярные заблуждения о геометрии космоса:
- Утверждение о том, что Вселенная «плоская», не означает, что она похожа на двумерный блин; она пространственно трехмерна, но правила геометрии в ней выполняются точно так же, как на плоском листе бумаги.
- В искривленном трехмерном пространстве гигантский треугольник будет иметь аномальную сумму углов: меньше 180 градусов для гиперболической геометрии и больше 180 градусов — для сферической.
- Визуально мы не увидим изгиба сторон треугольника, поскольку свет движется вдоль траекторий самого этого искривленного пространства. Само искривление происходит в воображаемом четвертом измерении, аналогичном радиальному направлению трехмерной сферы, но не являющемся частью нашей Вселенной.
В ответ на многочисленные запросы зрителей ведущий пообещал выпустить эпизоды с подробным разбором теории волны-пилота де Бройля — Бома, а также концепции энтропийной гравитации Эрика Верлинде. Для объяснения последней авторам канала потребуется последовательно разобрать информационный парадокс черных дыр, излучение Хокинга, элементы теории струн и голографический принцип.
