Поверьте мне, это круто. Астрономы обнаружили звездный остаток с массой 2,6 массы Солнца, который находится в пределах диапазона масс, называемого “разрывом масс”, из-за почти полного отсутствия подобных объектов в этом диапазоне. Это загадка как для астрономии (как образуются такие объекты), так и для физики (какие силы преобладают при таких размерах). Любые новые данные дают нам ключ к разгадке тайны разрыва в массе, так что это захватывающие новости.
И все же я снова вижу заголовки газет и даже популярные репортажи, восхваляющие находку. Заголовок на BBC гласит: “Открытие ”черной нейтронной звезды” меняет астрономию”. Нет, это не “изменит астрономию”, если только вы не считаете, что каждое постепенное добавление новой информации меняет всю область. Кроме того, называть это “черной нейтронной звездой”, хотя и возможно, предполагает только один возможный вывод. Но давайте перейдем к интересным деталям.
Для краткости, когда звезды умирают, они оставляют после себя звездный остаток. Когда у звезд заканчивается топливо, которое они способны сжигать (что частично определяется их массой), они больше не создают внешнего давления, необходимого для термоядерного синтеза, и поэтому гравитация берет верх, и они коллапсируют. Если они достаточно велики (8-15 масс Солнца), то в результате коллапса ядра образуется сверхновая. В любом случае, то, что остается, – это остатки звезды. Небольшие остатки превращаются в белый карлик, тлеющий уголек, но без термоядерного синтеза. Если масса остатка составляет по крайней мере 1,4 массы Солнца, сила притяжения преодолеет силу отталкивания положительных протонов и отрицательных электронов, и белый карлик превратится в нейтронную звезду – упрощенно говоря, электроны и протоны сольются в нейтроны, так что все это состоит из нейтронов.
Здесь все становится еще интереснее. Нейтронные звезды удерживаются давлением вырождения – квантовым эффектом, в который я не буду здесь вдаваться. Однако при некоторой массе сила притяжения оказывается даже больше, чем это внешнее воздействие, и нейтронная звезда сжимается до сингулярности, превращаясь в черную дыру. При какой именно массе это происходит? Это вопрос о разрыве в массе, потому что этот разрыв равен массе самой массивной нейтронной звезды (около 2,3 масс Солнца) и наименее массивной черной дыры (около 5 масс Солнца). Что происходит в этом разрыве в массе? Мы не знаем.
Есть два общих подхода к этому вопросу. Один из них – теоретический, с помощью математических расчетов можно увидеть, что должно происходить при разных массах. Однако у нас нет для этого физических данных. Нам не хватает хорошо разработанных теорий, которые объединяли бы квантовые эффекты и теорию относительности, что-то вроде квантовой гравитации. Мы просто не знаем, как работает физика при таких массах и плотностях. Поэтому мы пока не можем по-настоящему ответить на этот вопрос теоретически.
Второй подход – астрономический: мы смотрим на Вселенную и видим, что там находится, и надеемся, что это послужит основой для наших теорий. Вот почему разрыв в массе вызывает такое разочарование – мы не можем найти объекты в интересующем нас диапазоне масс. Таким образом, мы остаемся с многослойной загадкой. Почему в разрыве в массе так мало объектов? Что происходит с остатками звезд, масса которых составляет 3 или 4 звезды? Существует ли четкая граница масс, когда нейтронные звезды становятся черными дырами? Есть основания полагать, что нейтронные звезды не могут иметь массу в 3 или более солнечных масс, но являются ли они настоящими черными дырами? Возможно, существует третий класс звездных объектов, которые не являются ни нейтронными звездами, ни черными дырами – черные нейтронные звезды. Но какая физика управляет такими объектами?
Потенциал для открытий здесь огромен, включая возможность появления новой физики и, возможно, даже ключей к неуловимой теории квантовой гравитации.
Таким образом, открытие остатка звезды массой 2,6 солнечных является захватывающим. Это выше верхнего предела для ранее открытых нейтронных звезд, а может быть, и абсолютного верхнего предела. Так что же это было? Я говорю “было”, потому что оно больше не существует, и это говорит о том, как оно было открыто. Это также интересная история, потому что оно было открыто с помощью гравитационной астрономии.
Вот краткий ответ на этот вопрос: если у вас есть два мощных лазера, расположенных под прямым углом друг к другу, с очень большой длиной луча (2,5 мили для LIGO), то в месте их пересечения между двумя лучами возникнет интерференция волн. Все, что заставляет лазеры слегка смещаться, приводит к изменению интерференции. Этот прибор настолько чувствителен, что может обнаруживать перемещения в субатомном масштабе – 1/10000 ширины протона! Пусть это немного поразит ваш мозг. Этот прибор достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать рябь в пространстве-времени, возникающую при столкновении массивных объектов. Поскольку LIGO не нужно смотреть в любом направлении, он может обнаруживать такую рябь из любого места. Таким образом, теоретически LIGO может обнаруживать массивные объекты, сталкивающиеся друг с другом, в любой точке видимой Вселенной.
Теперь, когда LIGO запущен, он обнаруживает множество таких столкновений. Одним из недавних столкновений было столкновение двух объектов, один из которых имеет массу 15 масс Солнца (так что это определенно черная дыра), а другой – 2,6 масс Солнца – представляет интерес. Конечно, в результате столкновения возник новый объект с массой 17,6 солнечных масс, и, следовательно, объект с массой 2,6 солнечных масс исчез. Но мы смогли обнаружить крики о его насильственной смерти в виде ряби в пространстве-времени.
Ожидается, что LIGO и, возможно, другие, даже более совершенные детекторы гравитационных волн начнут обнаруживать больше объектов в разрыве масс. Затем мы сможем ответить на вопросы о том, насколько они распространены, где они существуют и когда они существуют (помните, чем дальше находится объект, тем дальше он находится в прошлом). Теперь мы просто ждем следующего такого столкновения. Тем временем физик может попытаться разобраться в том, как существуют такие объекты.
