скорость аккреции

Маленький монстр прячется в карликовой галактике, и его кормит сосед. Галактика-спутник медленно сливается с массивной соседкой, и газ из внешних областей падает к центру, где сидит чёрная дыра. Она невелика по меркам Вселенной: всего от восьмисот до пяти тысяч масс Солнца, но аппетит у неё зверский.

Скульптор лепит горы из магнитных полей и тепла, но камень сопротивляется. Нейтронная звезда — сверхплотный остаток взрыва сверхновой — в двойной системе перетягивает вещество с соседней звезды. Это падающее вещество нагревает кору звезды неравномерно, а магнитное поле тянет её изнутри.

Свет далёкого маяка гаснет не сразу: сначала ярко вспыхивает, а потом медленно уходит в темноту. Так ведёт себя рентгеновский пульсар 4U 0115+63 — нейтронная звезда, которая время от времени разгорается, когда на неё падает газ с соседней обычной звезды.

Водоворот заглатывает воду, но большую её часть разбрызгивает вокруг. Примерно так ведёт себя чёрная дыра — область пространства-времени с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть, — когда на неё падает слишком много вещества.

Взрыв сверхновой сбрасывает внешние слои умирающей звезды. Остаётся ядро — нейтронная звезда, упакованное в шар диаметром с город. Существование таких звёзд ещё в 1934 году предсказал Фриц Цвикки.

Коллапс ядра звезды похож на сжатие пружины: вещество падает внутрь, а в центре рождается нейтронная звезда. Но падение не бывает идеально ровным. В кипящих внешних слоях случайные завихрения передают вращение падающему газу — и вокруг центрального объекта закручивается диск. Этот диск — не спокойная река. Он пульсирует: то усиливается, то затухает.

Нейтронная звезда — это кипящий котёл диаметром с город, но массой как полтора Солнца. В её глубинах вещество сжато так, что атомные ядра теряют смысл. Там рождаются странные формы материи: каонный конденсат (похожий на сверхтекучую жидкость) и нейтронные звёзды с гиперонами (тяжёлыми частицами).

Ранняя Вселенная на красном смещении z>7 была ареной безудержного роста: чёрные дыры с массами до миллиарда солнечных уже сверкали как квазары, поглощая газ с чудовищной скоростью. Как эти исполины успели вырасти за столь малый срок — одна из острельших загадок астрофизики.

Карусель: лёгкую раскрутить проще, массивную — труднее. Примерно так же ведут себя нейтронные звёзды — сверхплотные остатки взорвавшихся светил. Астрономы заглянули в полсотни двойных систем, где одна нейтронная звезда вращается вокруг другой, и заметили: чем тяжелее звезда, тем длиннее её период вращения. Связь не жёсткая, но статистически заметная.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была наполнена горячей, почти однородной плазмой. Но в некоторых местах плотность могла случайно оказаться чуть выше. Если такой сгусток набирал критическую массу, он схлопывался в чёрную дыру — так рождались первичные чёрные дыры.

Гигантская планета-младенец всё ещё тянет к себе остатки строительного материала из окружающего облака. Именно такую картину запечатлел космический телескоп «Хаббл», направив свои камеры на объект с каталожным именем SR 12 c. Эта планета-компаньон вращается вокруг молодой звезды и находится от неё далеко — дальше, чем Нептун от Солнца.

Где-то в галактическом балдже дремлет массивная звезда, готовая сменить спокойное горение на коллапс. Её ядро исчерпает топливо, и за доли секунды родится нейтронная звезда или чёрная дыра, выбросив 10⁵⁸ нейтрино — почти всю энергию взрыва.

Переводчик на важных переговорах вдруг переходит на другой язык — и смысл сказанного полностью меняется. Примерно так ведут себя нейтрино в недрах умирающей звезды. Эти частицы-невидимки рождаются в огромных количествах, когда ядро звезды сжимается в комок размером с город. Но по пути наружу нейтрино могут менять свой тип — физики называют это превращением аромата.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная Эйнштейном, — обнажили бездну: чёрные дыры с массами между 60 и 120 масс Солнца почти не рождаются.

Звёзды с массами, превышающими Солнце в десятки раз, умирают не так, как предполагалось ранее. Компьютерное моделирование показало: их ядро часто не вспыхивает сверхновой — типичным для массивных звёзд взрывным финалом, а быстро схлопывается в чёрную дыру — область пространства-времени, гравитация которой не выпускает даже свет.

Плотность в центре нейтронной звезды такова, что чайная ложка её вещества весила бы как гора. Физики давно пытаются понять, насколько массивной может быть такая звезда, прежде чем она схлопнется в чёрную дыру.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро когда-то взорвавшейся звезды, сжатое до размера города. Если рядом есть обычная звезда, нейтронная звезда перетягивает с неё вещество, как пылесос. Это вещество падает на поверхность и образует корку — твёрдый слой из атомных ядер, богатых нейтронами.

Стремительный рост чёрных дыр — областей пространства-времени с гравитацией, не выпускающей даже свет — в ранней Вселенной остаётся одной из главных загадок астрофизики. Возможную разгадку предлагают квазизвёзды — гигантские газовые коконы, в недрах которых прячется чёрная дыра.

Некоторые чёрные дыры — это реликты Большого взрыва. Обычно они испаряются за счёт медленной утечки излучения, предсказанной Стивеном Хокингом (излучение Хокинга).

Земля в юности напоминала пчелиный улей: она росла, слипаясь из бесчисленных каменных глыб. Когда основная стройка закончилась, на молодую планету обрушился поздний рой метеоритов — так называемая поздняя облицовка. Эти удары, как думали учёные, принесли в верхние слои Земли платину, золото и другие редкие металлы.

Две тусклые звезды кружатся так близко, что одна перетягивает вещество с другой, как ложка, которой аккуратно снимают пенку с бульона. Астрономы впервые просчитали судьбу таких пар — ультрахолодных и коричневых карликов, самых холодных и тусклых обитателей галактики. Раньше считалось, что обмен массой между ними невозможен: слишком хрупкие.

Нейтрино — крошечные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом. Они беспрепятственно проходят сквозь звезду, как пули сквозь туман. Когда массивная звезда готовится к взрыву, её ядро сжимается, температура растёт, и из неё начинают вылетать нейтрино.

В недрах умирающей звезды перед взрывом сверхновой идут ядерные реакции, которые определяют, какие химические элементы разлетятся по космосу. Одна из таких реакций — столкновение ядра кислорода с протоном, после которого рождается ядро азота и альфа-частица (ядро гелия).

В Большом адронном коллайдере сталкивают протоны с ядрами свинца. В момент удара рождаются сотни новых частиц, и некоторые из них вылетают узкими пучками — струями. Внутри такой струи, как в плотном потоке, протоны и нейтроны могут слипаться в более крупные ядра, например в дейтрон — ядро тяжёлого водорода.

Ночью на пустынной дороге фонарь мигает редко, но сразу на всю мощность. Так ведут себя звёзды типа WZ Sge: годами тлеют еле заметно, а потом разом вспыхивают в сотни раз ярче. Астрономы решили проверить, что происходит в их газовых дисках в спокойное время — и нашли там почти пустоту. Диск вокруг такой звезды похож на очень тонкое облако: он прозрачен для света, как оконное стекло.

В Большом адронном коллайдере сталкивают не только протоны, но и целые ядра атомов. При ударе двух ядер на огромной скорости возникает крошечный объём раскалённой материи — настолько горячей, что протоны и нейтроны в нём плавятся и превращаются в «суп» из кварков и глюонов. Через этот суп, как через густую среду, продираются быстрые частицы.

Задолго до этого Фриц Цвикки предсказал, что после взрыва сверхновой рождается крошечная, но чрезвычайно плотная нейтронная звезда — объект размером с город, где вещество сжато так, что атомные ядра теснятся вплотную.

Чёрные дыры — это космические водостоки, воронки гравитации, затягивающие вещество из окружающего пространства. Этот процесс, называемый аккрецией, не всегда проходит гладко: часть падающего газа может быть выброшена обратно в виде узких релятивистских струй — джетов.

В двойной системе 4U 1700-37 массивная звезда-сверхгигант HD 153919 истекает мощным звёздным ветром. Этот ветер, как невидимый поток, устремляется к компактному соседу — вероятно, нейтронной звезде. Падая, вещество разогревается до миллионов градусов и вспыхивает в рентгеновском диапазоне.

В тёмных облаках межзвёздного газа, где рождаются звёзды, вещество собирается в плотные узлы — будущие колыбели светил. Астрономы измеряют расстояния между этими узлами по фотографиям неба, но фотография плоская, а облако объёмное. Пересчёт с плоскости в объём — задача не такая простая, как кажется.

Свет от далёкого источника, проходя рядом с нейтронной звездой, искривляется, как луч фонарика в кривом зеркале. Астрофизики запустили численный эксперимент: пустили лучи назад от наблюдателя к звезде и посмотрели, какую картинку увидит телескоп. Внутри звезды вещество сжато так, что его поведение описывается простым уравнением — чем сильнее сжатие, тем жёстче отпор.

Алюминий-26 — это изотоп, который живёт недолго по космическим меркам: всего около миллиона лет. Когда массивная звезда взрывается как сверхновая, она выбрасывает этот алюминий в космос. Позже он распадается, испуская гамма-лучи, которые можно поймать телескопами.

В 2010-х астрономы заметили удивительную вещь: сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, несмотря на огромную разницу в размерах и яркости, выстраиваются на одну прямую линию, если построить график зависимости их свечения в миллиметровом диапазоне от рентгеновского излучения и массы. Эта линия получила название «миллиметровая фундаментальная плоскость аккреции черных дыр».

Представьте переполненную комнату: каждый новый входящий усиливает давление на стены. Похожий принцип работает в нейтронной звезде — сверхплотном остатке массивной звезды, где вещество сжато до ядерных плотностей. Рост плотности вызывает рост внутреннего противодействия — давления, которое физики характеризуют отношением давления к плотности энергии (величина φ).

Воздушный шар ATIC поднялся над Антарктидой и поймал частицы, которые старше самой Земли. Среди них — ядра атомов от серы до хрома, и чем выше их энергия, тем больше их доля по сравнению с железом. Стандартная модель «дырявого ящика» предсказывала обратное: тяжёлые ядра должны были растворяться, как соль в воде. Но данные упрямо росли.