Звезда Эта Киля и туманность Гоммункул
Поскольку отдельные нейтроны имеют значительно меньшие размеры, чем атомы, они в нейтронной звезде и легче прижимаются один к другому. Атомы же к такому уплотнению не способны.
Казалось бы, физический тупик, после которого никаких изменений в звезде не должно происходить. Однако теория говорит, что нейтроны при такой невероятной плотности не остаются целыми, а начинают распадаться на отдельные части, именуемые кварками. Их у нейтрона три – один верхний и два нижних. Так вот, кварки, не будучи стабильными частицами, могут в свою очередь превратиться в своих более тяжелых родственников – «странных кварков». Именно это «оливье» из разнообразных элементарных структур носит название «странной материи».
Так вот, если эта гипотетическая звезда имеет верхние и нижние кварки, она зовется кварковой, а если она содержит еще и большое количество s-кварков – самых легких среди этой группы частиц, – то ее называют странной звездой.
Таковы теоретические выводы ученых. Но существуют ли такие звезды в действительности? Сказать наверняка, опять же, никто не может.
И все же подвижки в этом направлении появились. Во-первых, теория позволяет нарисовать приблизительный «фоторобот» таких звезд. А это значит, что астрономы определенное представление об этих звездах все же имеют. И по «фотороботам» этих звезд могут искать их во Вселенной.
Эти поиски привели ученых к одной странной нейтронной звезде, которая находится на расстоянии в 150 световых лет от Земли. Странность ее в том, что она имеет всего 11 километров в поперечнике. Есть еще одна нейтронная звезда, которая демонстрирует другую необычность: она очень быстро охлаждается.
А поскольку диаметр первой и разница температур второй звезды не вкладываются в те параметры, которые характерны для нейтронных звезд, обе эти звезды и стали кандидатами в кварковые звезды. Впрочем, наделение этих звезд новым статусом носит пока теоретический характер, так как полных знаний о нейтронных звездах у астрофизиков пока нет. Поэтому и говорить о том, нейтронная это звезда или нет, довольно сложно.
И все же ученые уверены, что превращение нейтронной звезды в кварковую они смогут установить по той колоссальной энергии, которая выделится в ходе этого явления. Более того, существует гипотеза, что наиболее интенсивные гамма-всплески являются результатом появления кварковых звезд.
Человеческая мысль никогда не стоит на месте, а всегда стремится проникнуть в глубь процессов и явлений. Поэтому астрофизики попытались выяснить: а что же случится с кварковой материей, когда она настолько уплотнится, что отдельные частицы перестанут в ней существовать?
На этот счет существует две точки зрения. В соответствии с первой, кстати, наиболее популярной, гравитация приведет частицы в состояние бесконечной плотности, что послужит толчком к возникновению черной дыры.
А вот сторонники второй гипотезы считают, что кварки могут состоять из еще более простых частиц. В силу этого между кварковой звездой и черной дырой существует промежуточная структура, называемая «преонной звездой». Построена она из субатомных частиц – преонов, которые считаются самыми элементарными и практически неделимыми и в определенных комбинациях формирующими любой другой тип частиц.
Но существование преонных звезд противоречит Стандартной Модели Вселенной, которая пока достаточно полно объясняет, хотя и не без шероховатостей, ее природу. Поэтому преонная гипотеза особым успехом среди физиков не пользуется.
Все виды звездной материи, о которой до этого шел разговор, состоят из фермионов – семейства частиц, к которому принадлежат и электроны, и протоны, и нейтроны, и кварки. Но помимо этих элементарных кирпичиков материи, в природе, согласно теоретическим расчетам, существуют еще и бозоны – связующее звено, благодаря которому взаимодействуют элементарные фермионы.
Так вот, физики-теоретики предполагают, что бозоны вполне могут сформировать свой собственный тип материи. Поскольку такие частицы должны обладать малой массой и быть стабильными, они, объединившись, могут сформировать звезду.
И хотя это очень эфемерная гипотеза, тем не менее она тоже имеет своих приверженцев. Они предполагают, что такие звезды находятся в центре галактик. И действительно, астрофизикам известны несколько галактик с так называемыми активными галактическими ядрами, срединная область которых намного ярче теоретически рассчитанной. Именно там и могут скрываться бозонные звезды.
Предполагается, что появились они на ранних стадиях развития Вселенной. Это косвенно подтверждает тот факт, что большинство галактик с активными ядрами наблюдаются в отдаленных (следовательно, самых древних) частях космоса.
Таким образом, кроме нейтронных звезд и черных дыр, космос населяет еще много светящихся экзотических объектов, правда, большинство из которых существует только в теории. Вот астрофизикам и предстоит узнать: гипотетические или реальные такие звезды, как кварковые, преоновые или бозоновые.
В продолжение темы о невероятных звездах, наверное, не лишним будет сказать и о существовании во Вселенной… гигантского ускорителя частиц, своеобразного вселенского андронного коллайдера. Находится он на расстоянии приблизительно 7,5 тысячи световых лет от Земли. И образован он силами гравитации, которые возникают между двумя массивными звездами.
Одна из них – Эта Киля. Она считается крупнейшим из известных современной науке светил: ее масса более чем в 150 раз больше солнечной.
В этом «природном устройстве» находится своеобразная «ловушка для элементарных частиц», в которой гравитация разгоняет протоны до скоростей, при которых их энергия достигает показателя в 10 ТэВ, или 10 миллионов миллионов электронвольт. А это – почти в полтора раза больше, чем максимальный показатель, достигнутый на Большом андронном коллайдере, который, как известно, расположен недалеко от Женевы.
Помимо протонов, солнечные ветры звезды-гиганта несут также потоки ионов – электрически заряженных атомов. Когда разогнанные протоны сталкиваются друг с другом или с этими ионами, рождаются частицы, называемые пионами. Но они очень быстро разрушаются, выделяя при этом гамма-излучение. Открытие коллайдером звездной системы Эта Киля стало первым практическим подтверждением теории существования подобных гравитационных ловушек для протонов.
Парадокс: холодные звезды
Говоря о звездах, мы обычно подразумеваем под этим понятием раскаленные до невероятно высоких температур небесные тела. А температуры там и впрямь гигантские. Ведь даже поверхность ближайшей к нам звезды – Солнца с температурой, равной 6000 градусов, можно считать лишь слегка подогретой по сравнению с теми «факелами» Вселенной, температура которых достигает нескольких десятков и сотен тысяч градусов. К таким «разгоряченным» объектам относятся белые карлики с температурой 200 000 градусов.
В это трудно поверить, но, оказывается, есть звезды, которые во много раз холоднее Солнца. Это – так называемые коричневые карлики. К ним мы еще вернемся в 7 главе.
Одно время рекордсменом в этой температурной категории была звезда, которая в каталогах обозначена как CFBDS0059. Температура этой звезды по разным данным колеблется от 180 до 350 градусов Цельсия. А это для звезды почти то же самое, что для Земли Антарктида.
Коричневый карлик в созвездии Волопаса
Звезды со столь низкими температурами у астрономов получили наименование коричневых карликов. По сути, это особый класс небесных тел, занимающий промежуточное положение между звездами и планетами. Причем на ранних этапах своей эволюции, то есть в молодости, коричневые карлики являются звездами. Когда же «постареют», то переходят в группу планет типа Юпитера, то есть планет-гигантов.
Нередко специалисты называют коричневых карликов еще и «не случившимися звездами». Связано это с тем, что хотя в них и проходят термоядерные реакции, но энергию, уходящую на излучение, они компенсировать не могут и поэтому со временем остывают. А планетами их назвать нельзя уже по той причине, что они не имеют четкой морфологической структуры: в них нет ни ядра, ни мантии и господствуют конвекционные потоки. А так как подобное строение характерно для звезд, коричневые карлики и оказались в этой категории небесных тел.
В соответствии с общепринятой теорией строения и эволюции звезд принято считать, что небесное тело становится солнцем, если его вес достигает 80 масс Юпитера. Связано это с тем, что при меньшей массе в звезде не смогут проходить термоядерные реакции, которые обеспечивают ее необходимой энергией.
Для появления же коричневого карлика небесному объекту достаточно иметь вес, равный 13 массам Юпитера. Это по космическим меркам – величина не очень и большая.
С 1995 года, когда существование этих космических тел было подтверждено реальными исследованиями, их уже открыто более сотни. Всех их ученые разделили на две группы: более горячие карлики относятся к L-классу, а более холодные – к T-классу.
А вот вновь открытой холодной звезде CFBDS0059 места в этой классификации не нашлось, и ей пришлось выделить отдельное «помещение» – Y-класс.
Масса этой звезды – от 15 до 30 масс Юпитера. Находится она от Земли на расстоянии в 40 световых лет. Особенностью этой звезды является то, что из-за своей низкой температуры она чрезвычайно тусклая, и ее излучение фиксируется в основном в инфракрасной области спектра.
Но прошло совсем немного времени, и в 2011 году астрономы обнаружили еще более холодного коричневого карлика. Они увидели его с помощью десятиметрового телескопа, расположенного на острове Мауна-Кеа. Причем сигнал от этого небесного объекта был настолько слабым, что его с большим трудом удалось выделить из общего космического шума.
Вновь открытый коричневый карлик получил классификационный номер CFBDSIR J1458+1013B. В отличие от ранее открытого своего «ледяного» собрата он находится в составе парной системы. Его партнер – тоже коричневый карлик, но уже вполне обычный. Находится эта структура на расстоянии 75 световых лет от Земли.
Температура нового рекордсмена колеблется где-то в районе 60—135 градусов Цельсия. Это значит, что на этом коричневом карлике может находиться вода, причем в жидком состоянии.
Правда, раньше в атмосфере коричневых карликов тоже фиксировались горячие пары воды. Но на этом невероятно холодном карлике, как предполагают ученые, она даже может находиться в виде облаков.
Глава 5. Далекие и непростые квазары
Таинственные квазары
Открытие квазаров в 1963 году американским астрономом М. Шмидтом является одним из величайших достижений астрономии двадцатого века. А произошло это следующим образом.
В начале 1960 года астрономы зафиксировали несколько довольно интенсивных радиосигналов, источником которых, как вскоре было установлено, являлись звезды. Прежде же радиоизлучение фиксировалось только у галактик и туманностей.
Безусловно, астрономы не могли не обратить внимания на это любопытное явление. И несколько ученых, среди которых был и М. Шмидт, стали активно изучать странные звезды. Американский астроном начал исследовать спектр довольно яркой звезды 13-й величины, которой соответствовал интенсивный радиоисточник 3С 273. В результате проведенных наблюдений Шмидт выяснил, что расстояние до источника примерно два миллиарда световых лет, и удаляется он от Земли со скоростью 42000 километров в секунду.
В те годы с такими огромными расстояниями астрономам встречаться еще не приходилось. Но удивительным было даже не это, а то, что, несмотря на невероятно большое расстояние, странный объект обладал исключительно высокой яркостью. Связав посредством сложных математических расчетов расстояние с яркостью, ученые пришли к выводу, что светимость 3С 273 почти в сто раз превышает светимость нашей Галактики, которая, между прочим, относится к числу гигантских звездных систем. Впрочем, если бы 3С 273 не был радиоисточником, его вряд ли зафиксировали бы.
Квазар 3C273. Фото НАСА
Открытие у 3С 273 переменности и впрямь стало для астрономов сюрпризом, хотя до этого они наблюдали переменность у разных типов звезд. Но поскольку 3С 373 имел колоссальную яркость, ученые сначала пришли к выводу, что это – галактика, состоящая из триллионов звезд. Но так как каждая звезда светится независимо от своих соседок, то о переменности «сглаженного» и усредненного по времени излучения такого гигантского по численности сообщества звезд не могло быть и речи! И тем не менее переменность, причем довольно значительная, была очевидной.
Из того факта, что светимость изменялась в течение одного года, астрономы сделали вывод, что и линейные размеры излучающей области тоже равняются приблизительно одному световому году. Но такая величина для любой галактики слишком ничтожная. Из этого заключения следовало вполне резонное предположение, что излучают не звезды, а нечто иное.
Но что представляет собой это «нечто иное», точно сказать никто не мог. Можно было лишь с большой долей уверенности предположить, что этот объект по своей природе похож на ядра сейфертовских галактик, правда, в несколько тысяч раз мощнее и активнее их.
Придерживаясь исторической справедливости, следует сказать, что переменность светимости ядер сейфертовских галактик была открыта чуть позже, в 1965 году. А активное исследование этих галактик началось после открытия и изучения объектов, родственных по своей природе 3С 273. Именно их и стали называть квазарами…
Однако как было показано в ходе дальнейших наблюдений за квазарами, 3С 273 по сравнению с другими своими собратьями по Вселенной по скорости перемещения оказался настоящим тихоходом.
Так, открытый позже объект 3С48 уносится от Земли со скоростью лишь вдвое меньше скорости света! И если считать, что этот объект подчиняется общему закону красного смещения, легко вычислить, что расстояние от Земли до объекта 3С48 равно 3,78 миллиарда световых лет! А ведь луч света путь от Солнца до Земли преодолевает приблизительно за 8,33 минуты. А здесь почти 4 миллиарда лет непрерывного стремительного движения – время, сравнимое с продолжительностью жизни нашей планеты.
Еще быстрее перемещается в пространстве объект 3С196: скорость его удаления от нашей планеты достигает 200 тысяч километров в секунду.
А расстояние до него, найденное по красному смещению, около 12 миллиардов световых лет. Это значит, что астрономы уловили луч света, который был послан к нам тогда, когда еще не существовало нашей Солнечной системы.