Астрономы обожают всё классифицировать: они составляют каталоги астероидов, спорят, считать ли Плутон планетой, делят газовых гигантов и звезды на десятки спектральных классов. Для нас, людей, это принципиально разные миры. Но самой Вселенной, по большому счету, плевать на нашу таксономию. В ее физической «поваренной книге» есть только один универсальный рецепт радикального изменения реальности: просто добавь массы.
Теоретический астрофизик Итан Сигель в своей колонке напоминает о правиле космологии: масса — это и есть судьба. Вы можете взять горстку космической пыли и, последовательно добавляя к ней строительный материал, превратить ее в планету, затем в звезду, а после — в экзотический мертвый остаток вроде черной дыры.
Давайте проследим этот путь от самых низов и посмотрим, на каких именно «весовых» отметках Вселенная переключает рубильники физических законов.
Содержание
Из чего вообще всё сделано?
Чтобы понять масштаб этой игры с массой, нужно вспомнить, что в самом начале времен лепить планеты было не из чего. Ранняя Вселенная состояла исключительно из гигантских облаков первозданного водорода и гелия. Водород еще кое-как мог образовывать молекулы (H2) или соединяться в экзотический гидрид гелия (HeH+). Эти молекулы были критически важны для того, чтобы газовые облака могли излучать тепло в космос, остывать и сжиматься под действием гравитации. Но построить из этого газа твердую скалу было физически невозможно.
Первое поколение огромных звезд-первопроходцев сформировалось, прожило свою яркую жизнь и взорвалось сверхновыми, засеяв космос «металлами» (в астрофизике так называют всё, что тяжелее гелия: углерод, кислород, кремний, железо). Именно этот звездный пепел стал тем самым сырьем, из которого начала формироваться известная нам твердая материя.
Пыль, камни и слипшаяся картошка
Как только во Вселенной появились тяжелые элементы, они начали конденсироваться в пылинки и кристаллики льда. В основном это крошечные зерна размером от 10 микрон до 1 сантиметра. Если собрать их в плотном протопланетном диске вокруг молодой звезды, они начнут сталкиваться и слипаться друг с другом.
На этом этапе масса объекта всё еще ничтожна, поэтому балом правит не гравитация, а электромагнетизм — обычные межатомные и межмолекулярные химические связи. Именно они удерживают вместе кучи космического щебня. Взгляните на снимки астероида Итокава, кометы Чурюмова-Герасименко или объекта Пояса Койпера Аррокот. Все они похожи на снеговиков, резиновых утят или помятую картошку.
Вы можете докидывать массу в такой объект, и он будет расти. Но вплоть до размеров в сотни километров и веса около 1020 килограммов (что примерно в 60 000 раз меньше массы Земли), эти небесные тела так и останутся бесформенными булыжниками. Химические связи в их породе всё еще достаточно сильны, чтобы сопротивляться их собственной слабой гравитации.
Триумф гравитации
Упрямство химических связей не бесконечно. Продолжайте добавлять массу, и в какой-то момент гравитация объекта станет настолько подавляющей, что горные породы и лед физически не выдержат собственного веса. Они начнут сминаться, течь, как пластилин, и объект примет единственно возможную в таких условиях форму — форму шара (или сфероида, если он быстро вращается).
Физики и геологи называют это состояние гидростатическим равновесием. Именно эта невидимая линия навсегда отделяет бесформенный астероид от карликовой планеты. В нашей Солнечной системе этот рубеж находится где-то в районе 800 километров в диаметре (хотя для ледяных объектов граница может быть ниже, чем для каменных). Земля, Луна, Церера, Плутон и крупнейшие спутники Юпитера перешагнули этот порог. Они уже могут удерживать вокруг себя тонкую атмосферу, но их гравитации всё еще не хватает, чтобы удержать самые легкие и юркие газы во Вселенной — водород и гелий. Те просто ускользают обратно в космос.
Почему Земля почти на пределе
Хотите удержать водород и гелий из протопланетного диска? Рецепт прежний — добавляйте массу! Более ста лет астрономы знали, что граница между скалистыми планетами (как Земля) и газовыми гигантами (как Нептун) пролегает где-то в промежутке между их массами, но точную цифру открыли только в эру массового поиска экзопланет.
Мы привыкли слышать громкие заголовки об открытии очередной «суперземли», но правда в том, что Земля — это почти предел того, насколько массивным может быть каменистый мир. Как только масса скалистого ядра превышает примерно две массы Земли, гравитация становится достаточно сильной, чтобы начать жадно «пылесосить» водород и гелий из окружающего пространства.
Независимый фактчекинг: данные обсерватории «Кеплер» выявили так называемый «зазор Фултона» (Fulton gap) — астрономы обнаружили, что планет размером от 1.5 до 2 радиусов Земли в космосе подозрительно мало. Объяснение кроется именно в массе и излучении: если у вас чуть-чуть не хватает массы для быстрого захвата толстого слоя газа, излучение молодой звезды просто сдует вашу тонкую атмосферу (процесс фотоиспарения). Останется лишь голое каменное ядро — суперземля. Но если вы перевалили за критическую отметку массы, вы стремительно обрастаете гигантской газовой мантией и навсегда превращаетесь в «мини-Нептун» или полноценный газовый гигант. Накопите 1025 килограммов, и вы обречены стать газовым миром.
Зажигая огонь
Но газовый гигант — это далеко не финал. Юпитер — самая тяжелая планета Солнечной системы, но что будет, если мы начнем скармливать ему дополнительных Юпитеров?
- 13 масс Юпитера: До этого момента вы остаетесь просто очень «толстой» планетой (супер-Юпитером). Но как только вы достигнете 13 юпитерианских масс, давление и температура в вашем ядре превысят 1 миллион кельвинов. В этот момент законы физики запускают термоядерную реакцию — горение дейтерия. Ваш объект трансформируется в коричневого карлика — «неудавшуюся звезду», у которой есть собственное слабое свечение, но не хватает сил на запуск полноценного водородного синтеза.
- 75–80 масс Юпитера: Продолжайте накидывать массу, и температура в ядре пробьет отметку в 4 миллиона кельвинов. Запускается протон-протонный цикл, водород начинает сливаться в гелий. Поздравляю, вы официально зажгли настоящую звезду!
С этого момента именно масса будет определять всю вашу жизнь, цвет, температуру и светимость (согласно Йеркской спектральной классификации МК). Больше массы — выше температура в ядре, ярче свет, синее цвет звезды и… тем быстрее она умрет. Голубые гиганты (O-класс) сжигают свое топливо за миллионы лет, тогда как маленькие красные карлики (M-класс) будут тлеть триллионы.
Именно поэтому в древних звездных скоплениях (таких как шаровое скопление M69), где все короткоживущие голубые гиганты давно выгорели, астрономы иногда находят «голубых отставших» (blue stragglers). Это не нарушители законов времени. Это просто две старые маломассивные тусклые звезды, которые случайно столкнулись, слили свою массу воедино и «омолодились», переродившись в яркую голубую звезду.
Зомби-звезды и черные дыры
Но даже смерть звезды не ставит точку в игре с массой. Итоговый «звездный труп» полностью зависит от исходного веса покойного:
- До 8–10 масс Солнца: Звезда относительно мягко сбрасывает оболочку, оставляя медленно остывающее ядро размером с Землю — белый карлик.
- От 8 до ~40 масс Солнца: Грандиозный взрыв сверхновой и коллапс ядра в невероятно плотный шар диаметром всего в пару десятков километров — нейтронную звезду, которая сопротивляется дальнейшему сжатию исключительно за счет квантового вырождения нейтронов.
- Свыше 40 масс Солнца: Абсолютный коллапс в черную дыру.
Но самое впечатляющее происходит, если попытаться добавить массу уже мертвым остаткам.
Попробуйте подкинуть водорода белому карлику. Как только его масса превысит строго определенный предел, квантовое давление вырожденного газа не выдержит, запустится неконтролируемый термоядерный синтез, и звезда будет разорвана на куски взрывом сверхновой типа Ia (те самые «стандартные свечи» космологии).
Столкните вместе две нейтронные звезды. Если их суммарная масса превысит предел в 2.5–3 массы Солнца (именно это произошло во время знаменитого события GW170817, зафиксированного детекторами гравитационных волн), квантовая физика капитулирует перед гравитацией, и нейтронная звезда рухнет в черную дыру.
Во Вселенной можно превратить пыль в камень, камень — в планету, планету — в газового гиганта, а его — в пылающую звезду. Можно заставить мертвые звезды взрываться или сжиматься в объекты со всё более экстремальной физикой. Всё, что для этого требуется — постоянно добавлять массу на весы.
Есть только один объект, который ломает это правило — черная дыра. Это абсолютная космическая сингулярность и предел трансформаций. Что бы вы в нее ни бросили, сколько бы звезд и галактик ни «скормили», она никогда не переродится в новый класс объектов. Она просто станет черной дырой бóльшей массы.
Заключение
Вглядываясь в эту строгую космическую иерархию, трудно отделаться от ощущения грандиозной, почти философской иронии. Пока мы веками ищем сложную и элегантную «теорию всего», у самой природы всегда был под рукой один до боли примитивный, грубый рычаг управления реальностью. Это самая буквальная во Вселенной иллюстрация того, как количество неизбежно переходит в качество.
Наращивая массу, гравитация последовательно ставит на колени все остальные фундаментальные силы. Сначала она отменяет химию, играючи сминая неподатливые скалы в идеальные сферы. Затем преодолевает атомное отталкивание, зажигая во мраке термоядерные топки. В конце концов она сокрушает даже последнее, квантовое упрямство частиц, просто схлопывая саму сцену, на которой разворачивается этот спектакль — пространство и время. В конце этого конвейера метаморфоз остается лишь черная дыра — абсолютный триумф тяжести, памятник материи, победившей саму себя.
Но именно в этой безжалостной механике кроется поэзия нашего существования. Вся наша сложная биология, океаны, города и сама способность смотреть в небо умудрились возникнуть в крошечной физической слепой зоне. В том узком, мимолетном зазоре, где массы уже хватило, чтобы собрать твердую планету и укутать ее атмосферой, но всё еще слишком мало, чтобы гравитация раздавила тонкую и хрупкую химию жизни.
На фоне грандиозных пылающих гигантов и схлопывающихся звездных ядер, наш мир — это случайный шедевр природы, которому повезло вовремя остановиться. Мы — дети идеального космического недовеса.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Гравитация может возникать из квантовой природы пространства: новая теория ставит всё с ног на голову
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.