Наше небо покрыто морем звездных призраков; все потенциальные призраки, которые были мертвы миллионы лет, и пока мы этого не знаем. Это то, что мы будем обсуждать сегодня. Что происходит с самой большой из наших звезд, и как это влияет на саму структуру вселенной, в которой мы живем.
Мы начинаем это путешествие с наблюдения за Крабовидной туманностью. Его красивые цвета простираются наружу в темную пустоту; небесная гробница с жестоким событием, произошедшим тысячелетия назад. Вы протягиваете руку и одним движением руки начинаете перематывать время и наблюдаете, как эти прекрасные туманности начинают уменьшаться. Когда часы поворачиваются назад, цвета туманности начинают меняться, и вы замечаете, что они сжимаются до одной точки. По мере приближения календаря 5 июля 1054 года газообразное облако осветляется и оседает в одной точке неба, яркой, как полная луна, и видимой в течение дня. Яркость угасает, и в конце концов появляется точка света; звезда, которую мы не видим сегодня. Эта звезда умерла, однако в этот момент мы бы этого не знали. Для наблюдателя до этой даты эта звезда казалась вечной, как и все другие звезды. Тем не менее, как мы знаем из нашей привилегированной точки зрения, эта звезда собирается стать сверхновой и родить одну из самых впечатляющих туманностей, которые мы наблюдаем сегодня.
Звездные призраки - удачный способ описания многих массивных звезд, которые мы видим рассеянными по всей вселенной. Многие не понимают, что когда мы смотрим вглубь вселенной, мы не только смотрим на огромные расстояния, но и вглядываемся в прошлое. Одно из фундаментальных свойств вселенной, которое мы хорошо знаем, состоит в том, что свет движется с конечной скоростью: примерно 300 000 000 м / с (примерно 671 000 000 миль в час). Эта скорость была определена с помощью многих строгих испытаний и физических доказательств. На самом деле, понимание этой фундаментальной константы является ключом ко многим из того, что мы знаем о вселенной, особенно в отношении как общей теории относительности, так и квантовой механики. Несмотря на это, знание скорости света является ключом к пониманию того, что я имею в виду под звездными призраками. Видите ли, информация движется со скоростью света. Мы используем свет от звезд, чтобы наблюдать за ними и из этого понять, как они работают.
Достойным примером этого временного отставания является наше собственное солнце. Наше солнце находится примерно в 8 световых минутах. Это означает, что свет, который мы видим от нашей звезды, занимает 8 минут, чтобы совершить путешествие от ее поверхности к нашим глазам на земле. Если бы наше солнце внезапно исчезло прямо сейчас, мы бы не узнали об этом в течение 8 минут; это включает не только свет, который мы видим, но даже его гравитационное влияние на нас. Поэтому, если бы солнце исчезло прямо сейчас, мы бы продолжали свой орбитальный путь вокруг нашей ныне несуществующей звезды еще 8 минут, прежде чем гравитационная информация дошла до нас, сообщая нам, что мы больше не связаны с ней гравитационно. Это устанавливает наш предел космической скорости для того, как быстро мы можем получать информацию, что означает, что все, что мы наблюдаем глубоко во вселенной, приходит к нам, как это было «х» количество лет назад, где «х» - это расстояние от нас до света. Это означает, что мы наблюдаем звезду, которая находится на расстоянии 10 световых лет от нас, как это было 10 лет назад. Если бы эта звезда умерла прямо сейчас, мы бы не узнали об этом еще 10 лет. Таким образом, мы можем определить его как «звездный призрак»; Звезда, которая мертва с ее точки зрения на своем месте, но все еще жива и здорова у нас.
Как описано в моей предыдущей статье («Звезды: день из жизни»), эволюция звезды сложна и очень динамична. Многие факторы играют важную роль во всем: от определения, будет ли звезда вообще формироваться, до размера и, следовательно, времени жизни указанной звезды. В предыдущей статье, упомянутой выше, я расскажу об основах звездообразования и жизни того, что мы называем звездами главной последовательности, или, скорее, звездами, которые очень похожи на наше собственное солнце. В то время как процесс образования и жизнь звезды главной последовательности и звезд, которые мы будем обсуждать, довольно схожи, существуют важные различия в том, как умирают звезды, которые мы будем исследовать. Звездные смерти главной последовательности интересны, но они едва ли сравнимы с изгибами пространства-времени, которые заканчивают эти более крупные звезды.
Как упомянуто выше, когда мы наблюдали давно ушедшую звезду, которая лежала в центре Крабовидной туманности, была точка, в которой этот объект светился так же ярко, как полная луна, и его можно было видеть днем. Что может заставить что-то стать таким ярким, что это будет сравнимо с нашим ближайшим небесным соседом? Учитывая, что Крабовидная туманность находится на расстоянии 6 523 световых года, это означало, что нечто, что примерно в 153 миллиардах раз дальше нашей луны, сияло так же ярко, как и луна. Это произошло потому, что звезда умерла сверхновой, когда умерла, и это судьба звезд, которые намного больше нашего Солнца. Звезды больше нашего Солнца окажутся в двух очень экстремальных состояниях после его смерти: нейтронные звезды и черные дыры. Обе темы достойны того, что может занять несколько недель в курсе астрофизики, но для нас сегодня мы просто рассмотрим, как образуются эти гравитационные монстры и что это значит для нас.
Жизнь звезды - это история почти безудержного слияния, заключенного в тисках собственного гравитационного присутствия. Мы называем это гидростатическим равновесием, в котором внешнее давление от плавящихся элементов в ядре звезды равно давлению внутреннего гравитационного давления, приложенного из-за массы звезды. В ядре всех звезд водород сплавляется с гелием (сначала). Этот водород произошел из туманности, из которой родилась звезда, которая объединилась и рухнула, давая звезде ее первый шанс на жизнь. На протяжении всей жизни звезды водород будет израсходован, и все больше и больше гелиевого «пепла» будет конденсироваться в центре звезды. Со временем у звезды кончится водород, и синтез на короткое время прекратится. Это отсутствие внешнего давления из-за того, что не происходит слияния, временно позволяет гравитации победить, и это давит звезду вниз. По мере сокращения звезды плотность и, следовательно, температура в ядре звезды возрастают. В конце концов, он достигает определенной температуры и гелиевый пепел начинает плавиться. Вот как все звезды проходят через основную часть своей жизни и на первых этапах своей смерти. Однако именно здесь звезды размером с солнце и массивные звезды мы обсуждаем частично.
Звезда, которая примерно равна размеру нашего собственного солнца, пройдет через этот процесс, пока не достигнет углерода. Звезды такого размера просто недостаточно велики, чтобы плавить углерод. Таким образом, когда весь гелий слился с кислородом и углеродом (посредством двух процессов, которые слишком сложны, чтобы их здесь охватить), звезда не сможет «раздавить» кислород и углерод в достаточной степени, чтобы начать процесс синтеза, победить гравитацию и звезда умрет. Но звезды, которые имеют достаточно большую массу, чем наше Солнце (примерно в 7 раз больше массы), могут продолжать проходить мимо этих элементов и продолжать сиять. У них достаточно массы, чтобы продолжить процесс «раздробления и слияния», который представляет собой динамическое взаимодействие в сердцах этих небесных печей.
Эти более крупные звезды будут продолжать процесс синтеза после углерода и кислорода, после кремния до тех пор, пока не достигнут железа. Железо - это предсмертная нота, которую поют эти сверкающие бегемоты, потому что когда железо начинает заполнять их умирающее ядро, звезда находится в смертельных бросках. Но эти массивные энергетические структуры не уходят спокойно в ночь. Они выходят самыми впечатляющими способами. Когда последние из не железных элементов сливаются в своих ядрах, звезда начинает свое забвение. Звезда врезается в себя, поскольку у нее нет никакого способа предотвратить непрекращающуюся гравитационную хватку, разрушая последующие слои оставшихся элементов с момента своего существования. Это внутреннее свободное падение встречается в определенном размере с невозможной силой, чтобы прорваться; давление вырождения нейтронов, которое заставляет звезду отскочить наружу. Это огромное количество гравитационной и кинетической энергии возвращается с яростью, которая освещает вселенную, мгновенно затмевая целые галактики. Эта ярость - жизненная кровь космоса; барабан гудит в симфонической галактике, поскольку эта интенсивная энергия позволяет синтезировать элементы, более тяжелые, чем железо, вплоть до урана. Эти новые элементы разлетаются наружу этой удивительной силой, которая движется на волнах энергии, которые глубоко врезаются в космос, заполняя вселенную всеми элементами, которые мы знаем.
Но что осталось? Что там после этого зрелищного события? Это все зависит снова от массы звезды. Как упоминалось ранее, две формы, которые принимает мертвая массивная звезда, это либо нейтронная звезда, либо черная дыра. Для нейтронной звезды формирование довольно сложное. По сути, события, которые я описал, происходят, за исключением того, что после сверхновых все, что остается, это шар вырожденных нейтронов. Вырождение - это просто термин, который мы применяем к форме, которую материя принимает, когда она сжата до пределов, разрешенных физикой. То, что вырождено, очень плотно, и это справедливо для нейтронной звезды. Число, которое вы, возможно, слышали, - это то, что чайная ложка материала нейтронной звезды весила бы примерно 10 миллионов тонн и имела бы скорость убегания (скорость, необходимую для того, чтобы уйти от гравитационного притяжения) примерно на 0,4 °, или на 40% от скорости. света. Иногда нейтронная звезда вращается с невероятной скоростью, и мы помечаем их как пульсары; имя происходит от того, как мы их обнаруживаем.
Эти типы звезд генерируют много излучения. Нейтронные звезды имеют огромное магнитное поле. Это поле ускоряет электроны в их звездных атмосферах до невероятных скоростей. Эти электроны следуют по линиям магнитного поля нейтронной звезды к ее полюсам, где они могут испускать радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи (в зависимости от того, какой это тип нейтронной звезды). Поскольку эта энергия концентрируется на полюсах, она создает своего рода эффект маяка с лучами высокой энергии, действующими как лучи света из маяка. Когда звезда вращается, эти лучи вращаются много раз в секунду. Если получится, что Земля и, следовательно, наше оборудование для наблюдений будут благоприятно ориентированы с этим пульсаром, мы зарегистрируем эти «импульсы» энергии, когда лучи звезд обрушатся на нас. Из-за всех известных нам пульсаров мы слишком далеко, чтобы эти лучи энергии могли навредить нам. Но если бы мы были рядом с одной из этих мертвых звезд, то эта радиация, постоянно омывающая нашу планету, привела бы к определенному исчезновению для жизни, какой мы ее знаем.
Что из другой формы, которую принимает мертвая звезда; черная дыра? Как это происходит? Если вырожденный материал находится настолько далеко, насколько мы можем раздавить материю, как появляется черная дыра? Проще говоря, черные дыры являются результатом невообразимо большой звезды и, следовательно, действительно огромного количества вещества, способного «сломать» это давление нейтронного вырождения при коллапсе. Звезда по существу падает внутрь с такой силой, что нарушает этот, казалось бы, физический предел, превращаясь в себя и оборачивая пространство-время в точку бесконечной плотности; особенность. Это удивительное событие происходит, когда у звезды примерно в 18 раз больше массы, чем у нашего Солнца, и когда оно умирает, это действительно воплощение физики, доведенное до крайности. Эта «лишняя масса» позволяет ему разрушить этот шар вырожденных нейтронов и упасть на бесконечность. Это страшно и красиво думать; точка в пространстве-времени, которая не совсем понятна нашей физике, и, тем не менее, кое-что, что мы знаем, существует. В черных дырах действительно замечательно то, что вселенная работает против нас. Информация, необходимая нам для полного понимания процессов внутри черной дыры, заперта за завесой, которую мы называем горизонтом событий. Это точка невозврата для черной дыры, для которой все, что находится за этой точкой в пространстве-времени, не имеет будущих путей, ведущих из нее. Ничто не ускользает на этом расстоянии от свернутой звезды в ее ядре, даже света, и поэтому никакая информация никогда не покидает эту границу (по крайней мере, не в той форме, которую мы можем использовать). Темное сердце этого поистине поразительного объекта оставляет желать лучшего и побуждает нас перейти в его царство, чтобы попытаться познать непостижимое; схватить плод с дерева познания.
Теперь нужно сказать, что до сих пор существует много возможностей для исследований с черными дырами. Физики, такие как профессор Стивен Хокинг, среди прочих, неустанно трудятся над теоретической физикой, лежащей в основе работы черной дыры, пытаясь разрешить парадоксы, которые часто возникают, когда мы пытаемся использовать против них лучшее из нашей физики. Есть много статей и статей о таких исследованиях и их последующих выводах, поэтому я не буду вдаваться в их тонкости как для желающих сохранить простоту понимания, так и для того, чтобы не отнимать у удивительных умов, которые работают над этими вопросами. Многие предполагают, что сингулярность - это математическое любопытство, которое не полностью отражает то, что происходит физически. То, что материя внутри горизонта событий может принимать новые и экзотические формы. Также стоит отметить, что в Общей теории относительности все, что имеет массу, может разрушиться до черной дыры, но мы обычно придерживаемся диапазона масс, поскольку создание черной дыры с чем-либо меньшим, чем в этом диапазоне масс, выходит за рамки нашего понимания того, как могло случиться. Но как человек, изучающий физику, я бы не стал упоминать, что на данный момент мы находимся в интересном сечении идей, которые очень тесно связаны с тем, что на самом деле происходит в этих призраках гравитации.
Все это возвращает меня к вопросу, который необходимо сделать. Факт, который нужно признать. Когда я описал гибель этих массивных звезд, я коснулся того, что происходит. По мере того как звезда разрывается от собственной энергии, а ее содержимое выдувается наружу во вселенную, происходит то, что называется нуклеосинтезом. Это слияние элементов для создания новых элементов. От водорода до урана. Эти новые элементы разлетаются наружу с невероятной скоростью, и, таким образом, все эти элементы в конечном итоге попадут в молекулярные облака. Молекулярные облака (Темные туманности) являются звездными питомниками космоса. Здесь начинаются звезды. А из звездообразования мы получаем планетарное образование.
Когда звезда образуется, облако мусора, состоящее из молекулярного облака, которое родило эту звезду, начинает вращаться вокруг нее. Это облако, как мы теперь знаем, содержит все те элементы, которые были приготовлены в наших сверхновых. Углерод, кислород, силикаты, серебро, золото; все присутствующие в этом облаке. Этот аккреционный диск об этой новой звезде, где формируются планеты, сливающиеся из этой обогащенной среды. Шарики из камня и льда сталкиваются, накапливаются, разрываются на части, а затем преобразуются, когда гравитация старается своими усердными руками превратить эти новые миры в острова возможности. Эти планеты формируются из тех самых элементов, которые были синтезированы в результате этого катастрофического извержения. Эти новые миры содержат чертежи жизни, какими мы ее знаем.
В одном из этих миров возникает определенная смесь водорода и кислорода. Внутри этой смеси образуются определенные атомы углерода, образующие реплицирующие цепи, которые следуют простой схеме. Возможно, спустя миллиарды лет те же самые элементы, которые эта умирающая звезда вонзила во вселенную, дают жизнь тому, что может смотреть вверх и ценить величие космоса. Возможно, что-то обладает разумом, чтобы осознать, что атом углерода внутри него - это тот же атом углерода, который был создан в умирающей звезде, и что произошла сверхновая, которая позволила этому атому углерода попасть в правую часть Вселенной в правильное время Энергия, которая была последним умирающим дыханием длинной мертвой звезды, была той же самой энергией, которая позволила жизни сделать первый вдох и посмотреть на звезды. Эти звездные призраки - наши предки. Они ушли в форме, но все же остаются в нашей химической памяти. Они существуют внутри нас. Мы сверхновые. Мы звездная пыль. Мы произошли от звездных призраков ...
