Вселенная сегодня


Новости космоса и астрономии



Всемирное координированное время (UTC): Среда, 23.08.2017, 05:07

Вселенная Сегодня » 2016 » Сентябрь » 20 » Звёздные призраки: понимание нашего происхождения

20.09.2016
Звёздные призраки: понимание нашего происхождения
Автор: Joshua Carroll

Эта Киля (Eta Carinae), одна из самых массивных известных звёзд. Предоставлено: NASA.

Наше небо застилает море звёздных призраков; все возможные фантомы, которые мертвы миллионы лет, и мы пока ещё не знаем как. Вот, что мы будем обсуждать сегодня. То, что происходит с крупнейшими из наших звёзд, и как это влияет на саму структуру Вселенной, в которой мы проживаем.



Мы начинаем этот путь с наблюдения Крабовидной туманности. Её красивые цвета простираются в тёмную пустоту; небесную гробницу, содержащую разрушительное событие, произошедшее тысячелетия назад. Вы протягиваете руку, и движением запястья начинаете перематывать время и смотреть, как сокращается эта прекрасная туманность. Пока часы перематываются назад, цвета туманности начинают меняться, а вы замечаете, что она сокращается в одну точку. Когда календарь приближается к 5 июля 1054 года, газообразное облако становится ярким и помещается в одну точку на небе, такую же яркую как полная Луна и видимую днём. Яркость блекнет, и, в конце концов, там лежит лучик света; звезда, которую мы не видим в наши дни. Эта звезда погибла, хотя в то время мы бы этого не знали. Для наблюдателя до этой даты звезда казалась вечной, как все остальные звёзды. Но как мы знаем из нашей преимущественной точки зрения, эта звезда стала сверхновой, и родилась одна из самых красивых туманностей, которые мы наблюдаем сегодня.


Крабовидная туманность; в её основе лежит давно умершая звезда... Фото предоставлено: NASA/ESA/J.Hester и A.Loll (Университет Штата Аризона).

Звёздные призраки являются подходящим способом описания многих массивных звёзд, которые мы видим разбросанными по всей Вселенной. Вот, что многие не понимают, когда мы смотрим вглубь Вселенной, мы не только смотрим на огромные расстояния, но и вглядываемся назад в прошлое. Одно из фундаментальных свойств Вселенной в том, что мы достаточно хорошо знаем, что свет движется с конечной скоростью: приблизительно 299 792 458 м/с. Эта скорость была определена через много тщательных опытов и физических доказательств. В действительности, понимание этой фундаментальной константы - это ключ ко многому из того, что мы знаем о Вселенной, особенно в отношении как Общей Теории Относительности, так и Квантовой Механики. Несмотря на это, знание скорости света - это ключ к пониманию того, что я подразумеваю под звёздными призраками. Вы видите, что информация движется со скоростью света. Мы используем свет от звёзд для наблюдения за ними, и из этого понимаем, как они работают.

Достойный пример этой задержки времени - наше Солнце. От Земли до Солнца 8 световых минут. Это значит, что свету, который мы видим от нашей звезды, требуется 8 минут, чтобы совершить путешествие с её поверхности до наших глаз на Земле. Если Солнце вдруг сейчас исчезнет, мы не будем знать об этом 8 минут; это не просто свет, который мы видим, но даже гравитационное влияние, оказываемое на нас. Так что если Солнце исчезло бы прямо сейчас, мы бы продолжали двигаться по нашей орбитальной траектории вокруг несуществующей звезды ещё 8 минут до того, как гравитационная информация нас достигнет, сообщая нам, что мы больше гравитационно не привязаны к нему. Это устанавливает предел космической скорости для того, как быстро мы можем получать информацию, значит, всё, что мы наблюдаем в глубинах Вселенной, приходит к нам таким, каким было Х лет назад, где Х - это световое расстояние до нас. Значит, мы наблюдаем звезду на расстоянии 10 световых лет такой, какой она была 10 лет назад. Если та звезда погибла прямо сейчас, мы узнаем об этом ещё через 10 лет. Таким образом, мы можем определить её как "звёздный призрак"; звезда, что погибла с её точки зрения, всё ещё жива для нас.

Эволюция звезды является сложной и очень динамичной. Многие факторы играют важную роль во всём от определения, образуется ли звезда вообще, до её размера и, следовательно, продолжительности жизни указанной звезды. Предыдущая моя статья была посвящена основам формирования звёзд и жизни звёзд главной последовательности, вернее звёзд, которые очень похожи на наше Солнце. Тогда как процесс формирования и жизнь звезды главной последовательности и звёзд, которые мы будем обсуждать, довольно схожи, но между ними существуют важные различия в том, как они умирают. Смерть звезды главной последовательности интересна, но она вряд ли сравнится с пространственно-временными изгибами, которыми заканчивают более крупные звёзды.

Как упоминалось выше, когда мы наблюдали давно ушедшую звезду, которая лежит в центре Крабовидной туманности, была точка, в которой этот объект светился так ярко, как полная Луна, и его было видно днём. Что могло вызвать что-то, что стало таким ярким, что было сравнимо с нашим ближайшим небесным соседом. Учитывая, что от нас до Крабовидной туманности 6523 световых года, значит, она в 153 млрд раз дальше от нас, чем Луна, а светит так же ярко как Луна. Это объясняется тем, что звезда стала сверхновой, когда погибла, это судьба звёзд, которые гораздо больше нашего Солнца. Звёзды больше нашего Солнца закончат жизнь двумя экстремальными состояниями: нейтронной звездой или чёрной дырой. Оба достойны тем, которые могли бы охватывать недели курса астрофизики, но сейчас мы просто узнаем, как образуются эти гравитационные монстры, и что это значит для нас.


Внутренняя сила притяжения против внешнего давления нуклеосинтеза внутри звезды (гидростатическое равновесие). Предоставлено: NASA.

Жизнь звезды - это история о почти неуправляемом термоядерном синтезе, содержащемся в тисках собственного гравитационного присутствия. Мы называем это гидростатическим равновесием, при котором внешнее давление от элементов термоядерной реакции в ядре звезды равняется внутреннему гравитационному давлению массы звезды. В ядре всех звёзд водород сначала превращается в гелий. Этот водород поступил из туманности, из которой родилась звезда, коалесцируя (притягивая вещество) и коллапсируя (сжимаясь), давая звезде шанс на жизнь. На протяжении всего времени жизни звезды водород будет конденсироваться в центре звезды.

В конце концов, звезда исчерпает водород, и термоядерный синтез остановится. Отсутствие внешнего давления из-за остановки термоядерного синтеза временно позволит гравитации победить, и она сожмёт звезду. Когда звезда сжимается, плотность и, следовательно, температура в ядре звезды повышается. В конце концов, она достигает определённой температуры, и гелий вступает в термоядерный синтез. Вот как все звёзды действуют на протяжении основной части своей жизни и на первых этапах своей смерти. Тем не менее, на этом этапе обсуждение звёзд размером с Солнце и массивных звёзд расходится.


Ядро и последующие слои умирающей звезды. Каждый слой остаётся от миллионов лет термоядерного синтеза каждого последующего элемента в следующий. Это моментальный снимок звезды перед взрывом. Предоставлено: Wikimedia.

Звезда размером с наше Солнце будет проходить через этот процесс, пока не достигнет стадии образования углерода. Звёзды такого размера просто недостаточно большие для термоядерного синтеза углерода. Таким образом, когда весь гелий будет синтезирован в кислород и углерод (посредством двух процессов, слишком сложных для рассмотрения в этой статье), звезда не сможет сдавить кислород и углерод достаточно для начала термоядерного синтеза, гравитация победит, и звезда умрёт. Но звёзды, которые имеют существенно больше массы, чем наше Солнце (около 7 солнечных масс), смогут продолжить перерабатывать эти элементы и сиять. Они обладают достаточной массой для продолжения этих "сдавливания и синтеза", являющихся динамическим взаимодействием в сердцах этих небесных печей.

Крупные звёзды продолжат процесс термоядерного синтеза оставшихся углерода и кислорода, остатков кремния, вплоть до железа. Железо - это смертельная нота, исполненная этими пылающими гигантами, поскольку когда железо начинает заполнять теперь умирающее ядро, звезда находится в своём смертельном броске. Но эти массивные структуры энергии не выходят спокойно в темноту. Они выходят одними из наиболее захватывающих способов. Когда последний нежелезный элемент проходит синтез в их ядрах, звезда начинает своё шествие в забвение. Звезда рушится на себя, так как не имеет возможности предотвратить беспощадную хватку силы тяжести, рушащую последующие слои оставшихся элементов от своей жизни. 

Это внутреннее свободное падение происходит до определённого размера с непреодолимой силой; давление вырождения нейтронов, которое заставляет звезду "отскакивать наружу" (расшириться). Это огромное количество гравитационной и кинетической энергии мчится назад наружу с яростью, которая освещает Вселенную, затмевая целые галактики в одно мгновение. Эта ярость - "живительная влага" космоса; удары барабана в галактической симфонии, так как эта огромная энергия позволяет синтез элементов тяжелее железа, вплоть до урана. Новые элементы выбрасываются наружу с удивительной силой под действием энергии, что бросает их в глубины космоса, засевая Вселенную всеми элементами, о которых мы знаем.


Иллюстрация звезды, становящейся сверхновой, распространяющей своё химически обогащённое содержание по Вселенной. Новые элементы вырываются наружу с поразительной силой, под действием энергии, которая бросает их в глубины космоса, засевая Вселенную всеми элементами, о которых мы знаем. Предоставлено: NASA/Swift/Skyworks Digital/Dana Berruto.

Но что останется? Что там будет после этого впечатляющего события? Всё опять зависит от массы звезды. Как упоминалось ранее, две формы; массивная звезда станет либо нейтронной звездой, либо чёрной дырой. Для нейтронной звезды образование достаточно сложно. По сути, события, которые я описал, происходят только после сверхновых, всё, что останется - это шар вырожденных нейтронов. Вырождение - это просто термин, который мы применяем к форме, которую приобретает материя, когда сжимается до пределов, позволяемых физикой. То, что вырождается, является достаточно плотным, и это очень актуально для нейтронной звезды. Число, которое вы, возможно, слышали, что чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы примерно 10 млн тонн и имела бы скорость убегания (вторую космическую скорость; скорость, необходимую, чтобы уйти от её гравитационного притяжения) около 40% скорости света. Иногда нейтронная звезда начинает вращаться вокруг своей оси с невероятной скоростью, и мы называем такие звёзды пульсарами; название происходит от того, как мы их обнаруживаем.


Пульсар с его магнитными силовыми линиями. Лучи, исходящие из его полюсов - те самые, что "омывают" наши детекторы, когда звезда вращается.

Эти типы звёзд генерируют сильное излучение. Нейтронные звёзды имеют сильнейшее магнитное поле, ускоряющее электроны в своих звёздных атмосферах до невероятных скоростей. Эти электроны двигаются по силовым линиям магнитного поля нейтронной звезды к её полюсам, где они испускают радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи (в зависимости от типа нейтронной звезды). Так как эта энергия концентрируется на полюсах, это создаёт своего рода эффект маяка с высокоэнергетическими лучами, ведущими себя как лучи света от маяка.

Когда звезда вращается, эти лучи проносятся много раз в секунду. Если Земля и, следовательно, её оборудование для наблюдения, становится выгодно ориентирована на этот пульсар, мы зарегистрируем эти "импульсы" энергии, когда лучи звезды "заденут" нас. Для всех пульсаров, о которых мы знаем, мы находимся слишком далеко, чтобы их лучи как-то навредили нам. Но если бы мы были ближе к одной из этих погибших звёзд, её излучение, омывающее нашу планету, беспрерывно несло бы гибель для жизни, какую мы знаем.

Как звезда становится чёрной дырой? Проще говоря, чёрные дыры являются результатом невообразимо большой звезды и поистине огромного количества материи, которая способна "сломать" давление вырождения нейтронов и привезти к коллапсу. Звезда фактически падает внутрь с такой силой, что нарушает этот кажущийся физический предел, сворачивая себя и закручивая пространство-время в точку бесконечной плотности; сингулярность. Это удивительное событие происходит, когда звезда имеет примерно 18 солнечных масс, и когда она умирает, она - поистине воплощение физики, ушедшее в крайность. "Дополнительная масса" - это то, что позволяет ей свернуть шар вырожденных нейтронов и упасть к бесконечности.

Об этом одновременно страшно и красиво думать; точка в пространстве-времени, не совсем понятная для физики, всё же как мы знаем, существует. Поистине замечательное в чёрных дырах то, что Вселенная похоже работает против нас. Информация, необходимая нам для полного понимания процессов внутри чёрной дыры, закрыта завесой, которую мы называем горизонтом событий. Это точка невозврата для чёрной дыры, в которой всё за горизонтом событий в пространстве-времени не имеет будущих траекторий, которые бы вывели из него. Ничего не сбегает на этом расстоянии от коллапсировавшей звезды от её ядра, даже свет, и, следовательно, никакая информация никогда не покидает эту границу (по крайней мере, в форме, которую мы можем использовать). Тёмное сердце этого поистине поразительного объекта оставляет желать лучшего и искушает нас проникнуть в его царство для того, чтобы попытаться узнать непознаваемое; чтобы схватить плод с древа познания.


Чёрная дыра - это финальная форма коллапсировавшей массивной звезды. Свет (и само пространство-время) искривляется вокруг горизонта чёрной дыры из-за экстремальных гравитационных эффектов. Это в точности так, как мы могли бы визуализировать настоящую чёрную дыру, поскольку она была создана по законам, в точности реализованным ОТО. Предоставлено и принадлежит: Paramount Pictures/Warner Bros. Из фильма "Interstellar". Математическая модель при создании изображения разработана доктором Типом Торном.

Теперь надо сказать, на данный момент существует много исследований чёрных дыр. Физики, такие как профессор Стивен Хокинг, в частности, неустанно работают над теоретической физикой за тем, как работает чёрная дыра, пытаясь решить парадоксы, которые часто появляются, когда мы пытаемся использовать лучшее из нашей физики против них. Есть много статей и докладов по таким исследованиям и последующие выводы, поэтому я не буду погружаться в их тонкости для желающих сохранить простоту понимания и чтобы не отнимать этого у удивительных умов, работающих над данными вопросами. Многие полагают, что сингулярность - это математический курьёз, не совсем представляющий то, что физически происходит. Что вещество внутри горизонта событий может приобретать новые экзотические формы.

Стоит также отметить, что в ОТО всё, имеющее массу, может коллапсировать в чёрную дыру, но мы обычно держимся к диапазону масс, когда создаётся чёрная дыра, меньше, чем в том диапазоне масс - за пределами нашего понимания того, как это могло случиться. Но как тот, кто изучает физику, с моей стороны было бы упущением не упомянуть, что на данный момент мы находимся на интересном пересечении идей, которые очень хорошо разбираются в том, что на самом деле происходит в этих фантомах гравитации.

Всё это возвращает меня к тому, что должно быть сделано. Факт, который необходимо признать. Когда я описывал гибель этих массивных звёзд, я затронул то, что происходит. Когда звезда разрывается на части от собственной энергии, и её содержимое разлетается по Вселенной, происходит то, что называется нуклеосинтезом (термоядерным синтезом). Это слияние элементов создаёт новые элементы. От водорода до урана. Новые элементы вырываются наружу с невероятной скоростью, и в итоге все эти элементы находят свой путь в молекулярных облаках. Молекулярные облака (тёмные туманности) - это звёздные ясли космоса. То место, где начинаются звёзды. И от образования звёзд мы получаем формирование планет. 


Планеты, конденсирующиеся из оставшегося молекулярного облака, из которого образовалась звезда. В этом аккреционном диске лежат фундаментальные элементы, необходимые для образования планет и потенциальной жизни. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech/T.Pyle (SSC) - февраль 2005.

Когда образуется звезда, облако мусора, состоящее из молекулярного облака, начинает вращаться вокруг звезды. Это облако, как мы теперь знаем, содержит все те элементы, приготовленные в сверхновых. Углерод, кислород, кремний, серебро, золото; всё присутствует в облаке. Аккреционный диск у этой новой звезды, где образуются планеты, стягивается из этой обогащённой среды. Шары из камня и льда сталкиваются, сливаются, разрываются на части, а затем преобразуются, когда гравитация работает старательными руками, лепя новые миры в острова возможностей. Эти планеты образовались из тех же самых элементов, синтезированных в том самом извержении. Эти новые миры содержат чертежи для жизни, которую мы знаем.

Согласно одному из этих миров, возникает смесь водорода и кислорода и т.д. В этой смеси атомы углерода формируются в повторяющиеся цепочки, следуя несложным узором. Возможно, через миллиарды лет эти самые элементы, рождённые умирающей звездой, подарят жизнь чему-то, что сможет взглянуть и оценить величество космоса. Возможно, что-то имеет интеллект, чтобы понять, что атомы углерода в нём - те же самые атомы углерода, что были созданы в умирающей звезде, и что произошедшая сверхновая позволила этому атому углерода найти свой путь в правильную часть Вселенной в правильное время.

Энергия, что была последним предсмертным выдохом давно мёртвой звезды - та же энергия, что позволила жизни сделать свой первый вдох и смотреть на звёзды. Эти звёздные призраки являются нашими предками. Они покинули нас, но остались в нашей химической памяти. Они существуют внутри нас. Мы - сверхновая. Мы - звёздная пыль. Мы произошли от звёздных призраков...


Мы купаемся в свете давно погибших звёзд, каждая из которых предоставила основные составляющие для Вселенной, которые необходимы для жизни. Предоставлено: Hubble.


Название прочитанной вами статьи "Звёздные призраки: понимание нашего происхождения".

Похожие статьи:
Категория: Космический справочник | Просмотров: 690 | Теги: Сверхновая, астрономия | Рейтинг: 0.0/0
Читайте также:
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]