Звезды очаровывали людей испокон веков. Благодаря современной науке, мы знаем о звездах довольно много, об их разных типах и структурах. Знание этой темы постоянно пополняется и уточняется; астрофизики размышляют над рядом теоретических звезд, которые могут существовать в нашей Вселенной. Наряду с теоретическими звездами имеются и звездоподобные объекты, астрономические структуры, которые выглядят и ведут себя как звезды, но не обладают стандартными характеристиками, которыми мы описываем звезды. Объекты в этом списке находятся на грани физических исследований и не были наблюдаемы напрямую… пока.

Кварковая звезда

Кварковая звезда

В конце своей жизни звезда может коллапсировать в черную дыру, в белого карлика или нейтронную звезду. Если звезда будет достаточно плотной прежде, чем стать сверхновой, звездные останки образуют нейтронную звезду. Когда это происходит, звезда становится чрезвычайно горячей и плотной. Располагая такой материей и энергией, звезда пытается коллапсировать в себя и образовать сингулярность, но фермионные частицы в центре (в данном случае нейтроны) подчиняются принципу Паули. Согласно ему, нейтроны не могут быть сжаты до такого же квантового состояния, поэтому они отталкиваются от коллапсирующей материи, достигая равновесия.

На протяжении десятилетий астрономы предполагали, что нейтронная звезда будет оставаться в равновесии. Но по мере развития квантовой теории, астрофизики предложили новый тип звезд, который мог бы появиться, если бы дегенеративное давление нейтронного ядра прекратилось. Называется она кварковая звезда. Поскольку давление массы звезды увеличивается, нейтроны распадаются на свои составляющие, верхние и нижние кварки, которые под высоким давлением и при высокой энергии могли бы существовать в свободном состоянии, вместо того чтобы производить адроны типа протонов и нейтронов. Названный «странной материей», этот суп из кварков был бы невероятно плотным, плотнее обычной нейтронной звезды.

Астрофизики до сих пор спорят на тему того, как именно могли бы образоваться эти звезды. Согласно некоторым теориям, они возникают, когда масса коллапсирующей звезды находится между необходимой массой для образования черной дыры или нейтронной звезды. Другие предполагают более экзотические механизмы. Ведущая теория гласит, что кварковые звезды формируются, когда плотные пакеты уже существующей странной материи, обернутые слабо взаимодействующими частицами (вимпами), сталкиваются с нейтронной звездой, засеивая ее ядро странной материей и начиная трансформацию. Если это происходит, нейтронная звезда будет поддерживать «корку» из материала нейтронной звезды, эффективно продолжая выглядеть нейтронной звездой, но одновременно с этим обладая ядром из странного материала. Хотя пока мы не обнаружили никаких кварковых звезд, многие из наблюдаемых нейтронных звезд вполне могли бы втайне быть таковыми.

Электрослабые звезды

Электрослабая звезда

В то время как кварковая звезда может быть последней стадией жизни звезды перед тем, как она умрет и станет черной дырой, недавно физики предложили другую теоретическую звезду, которая могла бы существовать между кварковой звездой и черной дырой. Так называемая электрослабая звезда могла бы поддерживать равновесие благодаря сложному взаимодействию между слабой ядерной силой и электромагнитной силой, известному как электрослабая сила.

В электрослабой звезде давление и энергия от массы звезды давили бы на ядро из странной материи кварковой звезды. По мере усиления энергии, электромагнитная и слабая ядерная сила смешивались бы так, что между двумя силами не осталось бы различий. На таком уровне энергии кварки в ядре растворяются в лептонах, вроде электронов и нейтрино. Большая часть странной материи превратится в нейтрино, а высвобождаемая энергия обеспечит достаточно силы, чтобы препятствовать коллапсу звезды.

Ученые заинтересованы в поиске электрослабой звезды, потому что характеристики ее ядра были бы идентичны характеристикам юной Вселенной спустя одну миллиардную секунды после Большого Взрыва. В тот момент в истории нашей Вселенной не было никакого различия между слабой ядерной силой и электромагнитной силой. Сформулировать теории о том времени оказалось довольно сложно, поэтому находка в виде электрослабой звезды существенно помогла бы космологическим исследованиям.

Электрослабая звезда также должна быть одним из самых плотных объектов во Вселенной. Ядро электрослабой звезды было бы размером с яблоко, но массой с две Земли, что делает такую звезду в теории плотнее любой ранее наблюдаемой звезды.

Объект Торна — Житковой

ОТЖ

В 1977 году Кип Торн и Анна Житкова опубликовали работу, подробно описывающую новый тип звезды под названием «объект Торна — Житковой» (ОТЖ). ОТЖ — это гибридная звезда, образованная столкновением красного сверхгиганта и маленькой, плотной нейтронной звезды. Поскольку красный сверхгиганта — это невероятно большая звезда, нейтронной звезде потребуются сотни лет, чтобы просто пробиться через внутреннюю атмосферу первой. Пока она будет зарываться в звезду, орбитальный центр (барицентр) двух звезд будет двигаться к центру сверхгиганта. В конце концов, две звезды сольются, образовав большую сверхновую и, в конце концов, черную дыру.

При наблюдении ОТЖ изначально был бы похож на типичный красный сверхгигант. Тем не менее у ОТЖ был бы ряд необычных свойств для красного сверхгиганта. Будет отличаться не только его химический состав, но и нейтронная звезда, зарывающаяся в него, будет выдавать радиовспышки изнутри. Найти ОТЖ довольно сложно, поскольку он не сильно отличается от обычного красного сверхгиганта. Кроме того, ОТЖ скорее образуется не в наших галактических окрестностях, а ближе к центру Млечного Пути, где звезды упакованы более плотно.

Тем не менее это не остановило астрономов в поиске звезды-каннибала, и в 2014 году было объявлено, что сверхгигант HV 2112 может быть возможным ОТЖ. Ученые обнаружили, что HV 2112 имеет необычайно большое количество металлических элементов для красного сверхгигантов. Химический состав HV 2112 совпадает с тем, что Торн и Житкова предполагали в 1970-х годах, поэтому астрономы считают эту звезду мощным кандидатом на первый наблюдаемый ОТЖ. Необходимы дальнейшие исследования, но было бы круто думать, что человечество обнаружило первую звезду-каннибала.

Замерзшая звезда

Замороженная звезда

Обычная звезда сжигает водородное топливо, создавая гелий и поддерживая себя давлением изнутри, рожденным в этом процессе. Но водород когда-нибудь заканчивается и в конечном итоге звезде нужно сжигать более тяжелые элементы. К сожалению, энергии, выходящей из этих тяжелых элементов, не так много, как из водорода, и звезда начинает остывать. Когда звезда становится сверхновой, она засеивает Вселенной металлическими элементами, которые потом участвуют в образовании новых звезд и планет. По мере взросления Вселенной взрывается больше и больше звезд. Астрофизики показали, что вместе со старением Вселенной увеличивается и ее общее металлическое содержание.

В прошлом металла в звездах практически не было, но в будущем звезды будут иметь существенно увеличенное металлическое содержание. По мере старения Вселенной будут образовываться новые и необычные типы металлических звезд, включая гипотетические замороженные звезды. Этот тип звезд был предложен в 1990-х. С обилием металлов во Вселенной, новообразованным звездам потребуются температуры ниже, чтобы стать звездами главной последовательности. Самые малые звезды с массой в 0,04 звездной (порядка массы Юпитера) могут стать звездами главной последовательности, поддерживая ядерный синтез при температуре 0 градусов по Цельсию. Они будут заморожены и окружены облаками замороженного льда. В далеком-далеком будущем эти замороженные звезды вытеснят большинство обычных звезд в холодной и унылой Вселенной.

Магнитосферически вечно коллапсирующий объект

Черная дыра

Все уже привыкли, что очень много непонятных свойств и парадоксов связано с черными дырами. Для того чтобы как-то справляться с проблемами, присущими математике черных дыр, теоретики предположили целое звездообразных объектов. В 2003 году ученые заявили, что черные дыры не являются на самом деле сингулярностями, как привыкли считать, а являются экзотическим типом звезды под названием «магнитосферически вечно коллапсирующий объект» (МВКО, MECO). Модель МВКО является попыткой справиться с теоретической проблемой: материя коллапсирующей черной дыры, кажется, движется быстрее скорости света.

МВКО образуется как обычная черная дыра. Гравитация превосходит материю, и та начинает коллапсировать в себя. Но в МВКО излучение, возникающее при столкновении частиц, создает внутреннее давление, аналогичное давлению, рождающему в процессе синтеза в ядре звезды. Это позволяет МВКО оставаться абсолютно стабильным. Он никогда не формирует горизонт событий и никогда полностью не коллапсирует. Черные дыры в конечном счете коллапсируют в себя и испаряются, но коллапс МВКО потребует бесконечного количества времени. Таким образом, он находится в состоянии вечного коллапса.

Теории МВКО решают множество проблем черных дыр, включая и проблему информации. Поскольку МВКО никогда не коллапсирует, не возникнет и проблем уничтожения информации, как в случае с черной дырой. Однако какими бы прекрасными теориями МВКО ни были, сообщество физиков встречает их с большим скепсисом. Считается, что квазары — это черные дыры, окруженные светящимся диском аккреции. Астрономы надеются найти квазар с точными магнитными свойствами МВКО. Пока не было найдено ни одного, но, возможно, новые телескопы, которые будут изучать черные дыры, прольют свет на эту теорию. Пока же МВКО остается интересным решением проблем черных дыр, но далеко не ведущим кандидатом.

Звезды населения III

Звезда

Мы уже обсудили замороженные звезды, которые появятся ближе к концу Вселенной, когда все станет слишком металлическим, чтобы образовывались горячие звезды. Но как насчет звезд на другом конце спектра? Эти звезды, образованные из первичных газов, оставшихся от Большого Взрыва, называют звездами населения III. Схема звездных населений была представлена Уолторем Бааде в 1940-х годах и описывала содержание металла в звезде. Чем старше население, тем выше содержание металла. Долгое время существовало только два населения звезд (с логичным названием население I и население II), но современные астрофизики начали серьезные поиски звезд, которые должны были существовать сразу после Большого Взрыва.

В этих звездах не было тяжелых элементов. Они полностью состояли из водорода и гелия, с вкраплениями лития. Звезды населения III были абсурдно яркими и огромными, больше множества современных звезд. Их ярда не только синтезировали обычные элементы, но и подпитывались реакциями аннигиляции темной материи. Также они жили очень мало, всего несколько миллионов лет. В конечном итоге все водородное и гелиевое топливо этих звезд выгорело, они использовать для синтеза тяжелые металлические элементы и взорвались, рассеяв тяжелые элементы по всей Вселенной. Ничто в юной Вселенной не выжило.

Но если ничто не выжило, почему мы должны об этом думать? Астрономы очень заинтересованы в звездах населения III, поскольку они позволят нам лучше понять, что произошло в процессе Большого Взрыва и как развивалась юная Вселенная. И в этом астрономам поможет скорость света. Учитывая постоянную величину скорости света, если астрономы смогут найти невероятно далекую звезду, они по сути заглянут назад во времени. Группа астрономов из Института астрофизики и космических наук пытаются увидеть галактики, которые находятся дальше всех от Земли, из тех, что мы пытались увидеть. Свет этих галактик должен был появиться спустя несколько миллионов после Большого Взрыва и мог бы содержать свет звезд населения III. Изучение этих звезд позволит астрономам заглянуть назад во времени. Кроме того, изучение звезд населения III также покажет нам, откуда мы пришли. Эти звезды среди первых засеяли Вселенную элементами, дающими жизнь и необходимыми для существования человека.

Квазизвезда

Квазизвезда

Не путайте с квазаром (объектом, который выглядит как звезда, но ею не является), квазизвезда — это теоретический тип звезды, которая могла существовать только в юной Вселенной. Как и ОТЖ, о которых мы говорили выше, квазизвезда должна была быть звездой-каннибалом, но вместо того, чтобы прятать в центре другую звезду, она прячет черную дыру. Квазизвезды должны были образоваться из массивных звезд населения III. Когда обычные звезды коллапсируют, они становятся сверхновыми и оставляют черную дыру. В квазизвездах плотный внешний слой ядерного материала поглотил бы всю энергию, вырвавшуюся из коллапсирующего ядра, остался бы на месте и не стал бы сверхновой. Внешняя оболочка звезды осталась бы нетронутой, тогда как внутренняя образовала бы черную дыру.

Как и современная звезда на основе синтеза, квазизвезда достигла бы равновесия, хотя и поддерживалось бы оно больше, чем просто энергией синтеза. Энергия, излучаемая из ядра, черной дыры, обеспечивала бы давление, противостоящее гравитационному коллапсу. Квазизвезда питалась бы материей, падающей во внутреннюю черную дыру, и высвобождала бы энергию. Из-за этой мощной испускаемой энергии, квазизвезда была бы невероятно яркой и в 7000 раз более массивной, чем Солнце.

В конце концов, однако, квазизвезда потеряла бы свою внешнюю оболочку спустя примерно миллион лет, оставив только массивную черную дыру. Астрофизики предположили, что древние квазизвезды были источником сверхмассивных черных дыр в центрах большинства галактик, включая нашу. Млечный Путь мог начаться с одной из этих экзотических и необычных древних звезд.

Преонная звезда

Преонная звезда

Философы на протяжении веков спорили о наименьшем возможном делении материи. Наблюдая за протонами, нейтронами и электронами, ученые думали, что нашли базовую структуру Вселенной. Но по мере движения науки вперед, обнаруживались частицы все меньше и меньше, и нашу концепцию Вселенной пришлось пересматривать. Гипотетически деление может продолжаться вечно, но некоторые теоретики считают преоны мельчайшими частицами природы. Преон — это точечная частица, у которой нет пространственного расширения. Зачастую физики описывают электроны как точечные частицы, но это традиционная модель. У электронов на самом деле есть расширение. Теоретически у преона его нет. Они могут быть самыми базовыми субатомными частицами.

Хотя исследования преонов в настоящее время не в моде, это не запрещает ученым обсуждать то, как могли бы выглядеть преонные звезды. Преонные звезды были бы чрезвычайно малыми, размером между горошиной и футбольным мячом. Масса, упакованная в этом крошечном объеме, была бы равна массе Луны. Преонные звезды были бы легкими по астрономическим стандартам, но куда плотнее нейтронных звезд, самых плотных наблюдаемых объектов.

Эти крошечные звезды было бы очень сложно увидеть, да и то — благодаря гравитационному линзированию и гамма-излучению. Ввиду их незаметной природы, некоторые теоретики считают предложенные преонные звезды кандидатами в темную материю. И все же ученые на ускорителях частиц занимаются по большей части бозоном Хиггса, а не ищут преоны, поэтому их существование подтвердится или не подтвердится еще очень нескоро.

Звезда Планка

Звезда

Один из самых вопросов на тему черных дыр звучит так: на что они похожи изнутри? Бесчисленные книги, фильмы и статьи были опубликованы на эту тему, начиная от фантастических предположений до самой твердой и точной науки. И консенсуса пока нет. Часто центр черной дыры описывается как сингулярность с бесконечной плотностью и отсутствием пространственных измерений, но что это означает на самом деле? Современные теоретики пытаются обойти это расплывчатое описание и узнать на самом деле, что происходит в черной дыре. Из всех теорий одной из самых интересных является предположение, что в центре черной дыры находится звезда под названием звезда Планка.

Предложенная звезда Планка изначально задумывалась для разрешения информационного парадокса черной дыры. Если рассматривать черную дыру как точку сингулярности, у нее будет неприятный побочный эффект: информация будет уничтожаться, проникая в черную дыру, нарушая законы сохранения. Однако, если в центре черной дыры будет звезда, это решит проблему и поможет также с вопросами горизонта событий черной дыры.

Как вы, должно быть, догадались, звезда Планка — это странная штука, которая, впрочем, поддерживается обычным ядерным синтезом. Ее названием вытекает из того факта, что такая звезда будет иметь энергетическую плотность близко к плотности Планка. Плотность энергии — это мера энергии, заключенной в области пространства, а плотность Планка — огромное число: 5,15 х 10^96 килограммов на кубометр. Это очень много энергии. Теоретически столько энергии могло быть во Вселенной сразу после Большого Взрыва. К сожалению, мы никогда не увидим звезду Планка, если она располагается внутри черной дыры, но такое предположение позволяет решить ряд астрономических парадоксов.

Пушистый клубок

Физики любят придумывать забавные названия для сложных идей. Пушистый клубок — самое няшное название, которое только можно было придумать для смертельной области космоса, которая может мгновенно вас убить. Теория пушистого клубка вытекает из попытки описать черную дыру с использованием идей теории струн. По существу, пушистый клубок — это не настоящая звезда в том смысле, что она не является миазмой пылающей плазмы, поддерживаемой термоядерным синтезом. Скорее это регион запутанных струн энергии, поддерживаемых их собственной внутренней энергией.

Как упоминалось выше, основной проблемой черных дыр было выяснить, что находится внутри них. Эта глубокая проблема является одновремено экспериментальной и теоретической загадкой. Теории стандартных черных дыр приводят к целому ряду противоречий. Стивен Хокинг показал, что черные дыры испаряются, а это значит, что любая информация в них будет утрачена навсегда. Модели черной дыры показывают, что их поверхность является высокоэнергетическим «файрволом», который испаряет приходящие частицы. И самое главное, теории квантовой механики не работают, если применить их к сингулярности черной дыры.

Пушистый клубок решает эти проблемы. Чтобы понять, что это за пушистый клубок такой, представьте, что мы живем в двухмерном мире, как на листе бумаги. Если кто-то поставит цилиндр на бумагу, мы будем воспринимать его как двумерный круг, даже если этот объект на деле существует в трех измерениях. Мы можем представить, что высокомерные структуры существуют и в нашей Вселенной; в теории струн они называются бранами. Если бы многомерные браны существовали, мы воспринимали бы их лишь своими четырехмерными чувствами и математикой. Струнные теоретики предположили, что то, что мы называем черной дырой, на самом деле является нашим маломерным восприятием многомерной струнной структуры, пересекающей наше четырехмерной пространство-время. Тогда черная дыра не будет сингулярностью; она будет лишь пересечением нашего пространства-времени многомерными струнами. Этим пересечением и является пушистый клубок.

Все это кажется эзотерическим и вызывает множество вопросов. Однако если черные дыры на самом деле являются пушистыми клубками, они решат массу парадоксов. Они также будут обладать несколько иными характеристиками, чем черные дыры. Вместо одномерной сингулярности пушистый клубок имеет определенный объем. Но, несмотря на определенный объем, он не имеет точного горизонта событий, его границы «пушистые». Также это позволяет физикам описать черную дыру с использованием принципов квантовой механики. Да и вообще, пушистый клубок — забавное название, разбавляющее наш строгий научный язык.

Источник