компактный объект

Луч света, пролетающий мимо массивного тела, огибает его, как бегун огибает угол стадиона. Для нейтронной звезды этот угол отклонения обычно считается таким же, как для точечной массы. Но если звезда окутана невидимым гало из тёмной материи, картина меняется: свет, проходящий сквозь гало, отклоняется слабее, чем предсказывает полная масса.

В центре галактики, где сверхмассивная чёрная дыра закручивает вокруг себя диск раскалённого газа, иногда рождаются звёзды-гиганты. Они не похожи на обычные: диск непрерывно подкармливает их веществом, и звезда может вырасти до сотен масс Солнца, оставаясь яркой, пока поток газа не иссякнет. Такая звезда — как губка, впитывающая воду: она живёт, пока её наполняют.

Белый карлик — это бывшее ядро звезды вроде Солнца, сжатое до размеров Земли. Чайная ложка его вещества весила бы несколько тонн. Нейтронная звезда — ещё более плотный остаток: город размером с Манхэттен, но с массой больше солнечной.

Бросьте в пруд два камня разной формы — круги на воде расскажут, какой из них был гладким, а какой угловатым. Так же работают гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: когда два сверхплотных объекта сливаются, дрожь пространства-времени разносит подробности об их внутреннем устройстве.

Две нейтронные звезды кружатся в тесном танце, и каждая чувствует приливное поле соседки. Так Луна поднимает океаны на Земле, только здесь деформируется само пространство-время и вещество звезды. Астрофизики называют это приливной деформацией — мерой того, насколько сильно объект «прогибается» под действием гравитации партнёра.

Двести восемьдесят девять дней — именно столько длится один оборот белого карлика WD 1532+129. Это не просто рекорд: на его поверхности, у магнитных полюсов, проступают шрамы из железа и других металлов — немые свидетельства планет, которые он поглотил.

В августе 2019 года детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационную волну от слияния двух компактных объектов в двойной системе. Один из них весил 23 солнечных массы — рядовая чёрная дыра. Второй же — 2.5–2.67 M⊙.

В центре многих галактик прячутся не только сверхмассивные чёрные дыры, но и огромные облака невидимого вещества. Если это вещество состоит из сверхлёгких частиц, оно способно собираться в плотные сгустки — своего рода «звёзды» из тёмной материи.

В центре внимания — крошечные звёздные города: ультратусклые карликовые галактики. Они похожи на разреженные рои светлячков, которые кружатся в обширном невидимом облаке. Это облако — гало из сверхлёгкой тёмной материи. Её частицы так легки, что ведут себя не как бильярдные шары, а как волны.

В центре галактики гравитация сгущает тёмную материю в плотный «шип». Такой тёмный шип похож на воронку из невидимых частиц вокруг массивного тела. Но если и центр, и частицы — первичные чёрные дыры, картина ломается. Лёгкие дыры, размером с астероид, рождаются почти без вращения.

В основе варп-двигателя лежит идея Эйнштейна о том, что массивные тела искривляют пространство-время — ту самую сцену, на которой разворачиваются все космические события. Представьте себе пузырь такого искривлённого пространства-времени. Внутри него корабль парит без перегрузок — как пассажир в салоне самолёта, не чувствующий встречного ветра.

Нейтронные звезды — космические объекты невообразимой плотности: представьте, что столовая ложка их вещества весит больше, чем гора Эверест. Долгое время оставалось загадкой, что скрывается в их недрах: обычное нейтронное вещество, подобное гигантскому атомному ядру, или экзотическая кварковая материя, где частицы уже не связаны в нейтроны.

В безмолвном театре космоса пьеса жизни звезды идёт миллиарды лет. Но иногда на сцену проникает невидимый режиссёр — первичная чёрная дыра. Этот сгусток тёмной материи, рождённый в первую секунду бытия (как предсказывал Стивен Хокинг), массой с астероид и размером с атом, может быть захвачен звездой.

Бросьте в пруд камень — пойдут круги. Нечто похожее происходит внутри компактных сгустков тёмной материи, когда они попадают в особую среду — скалярное поле. Это поле, пронизывающее всё вокруг, способно самопроизвольно усиливаться в недрах таких объектов, словно круги на воде становятся всё выше и заметнее.

В семействе сверхплотных остатков мёртвых звёзд долго зияла пустота. Нейтронные звёзды — стремительные волчки размером с город — редко тяжелее двух Солнц. Чёрные дыры начинаются примерно с пяти солнечных масс. А между ними — «провал», где десятилетиями не могли найти ни одного объекта.

Если сжать горсть песка до размеров булавочной головки, он превратится в камень. Но если сжать ещё сильнее — до плотности атомного ядра, — песчинки потеряют свою форму. Протоны и нейтроны растворятся, и вещество станет похожим на суп из свободных кварков.

В стандартной астрофизической картине чёрные дыры удерживают титул абсолютных рекордсменов по плотности: всё их вещество коллапсирует в сингулярность — точку с бесконечной кривизной пространства-времени. Это можно представить так: если бы всю массу горы Эверест сжали до размеров крупинки соли. Однако физики-теоретики обнаружили изящный трюк.

Сразу после Большого взрыва в космосе могли плавать сгустки весом в триллион солнц и с электрическим зарядом колоссальной силы — как триллионы наэлектризованных шариков.

Горсть песка весом с небольшую гору — примерно так устроены странглеты, крошечные сгустки из «странной» кварковой материи, где частицы спрессованы до немыслимых плотностей. В новой работе астрофизики проверили, могут ли такие объекты существовать в природе и какими они были бы на вид. За основу взяли модель, где кварки заперты внутри «мешка» — так физики называют силы, не дающие кваркам разлететься.

В раскалённой плазме новорождённой Вселенной, когда само пространство ещё звенело эхом Большого взрыва, могли возникнуть объекты, бросающие вызов самой гравитации. Не привычные чёрные дыры — электрически заряженные исполины, астроны.

Галактика подобна космическому автобану, где звёзды-автомобили мчатся по круговым орбитам. Их скорость определяется невидимым «грузом» массы, заключённым внутри орбиты: чем массивнее центральная область, тем быстрее несутся звёзды на периферии.

Кусок сахара лежит на блюдце рядом с чашкой горячего чая. Если уронить его в чай, он растворится за минуты. Но если медленно опускать, сахар тает постепенно, отдавая сладость напитку. Похожее происходит в двух недавно открытых звёздных парах, только вместо сахара — коричневый карлик, а вместо чая — звезда.

Белый карлик — это то, что остаётся от звезды вроде Солнца после того, как она сбрасывает внешние слои. Остаётся горячее ядро размером с Землю, но с массой, близкой к солнечной. Чайная ложка такого вещества весила бы как грузовик. Некоторые из этих звёзд обладают очень сильными магнитными полями — в миллиард раз мощнее земного.

Две невращающиеся чёрные дыры — области пространства-времени с гравитацией настолько сильной, что ничто, включая свет, не может их покинуть, — в момент слияния рождают гравитационные волны — рябь в самой ткани пространства-времени, которую ловят приборы, разработанные при участии Кипа Торна.

Представьте невидимый океан, состоящий из тёмной материи — сверхлёгких частиц, само существование которых впервые заподозрил Фриц Цвикки ещё в 1930-х годах.

Первые звёзды зажглись из облаков, в которых не было ничего, кроме водорода и гелия. Тяжёлые элементы — углерод, кислород, железо — появились позже, внутри звёзд. Но среди тех первенцев могли быть и лёгкие звёзды, массой чуть меньше Солнца. Такие живут очень долго, миллиарды лет, и могли дожить до наших дней.

В плотном ядре шарового скопления NGC 6397, где звёзды теснятся как пассажиры в час пик, астрономы заметили странную пару. Одна звезда — белый карлик с температурой поверхности 16 000 К (раскалённый остаток звезды, остывающий миллиарды лет), а рядом с ней кружится невидимый компаньон. Они оборачиваются вокруг общего центра масс за 0,54 дня — быстрее, чем Земля вокруг своей оси.

Ночное небо полно маяков, но некоторые из них светят так, что их почти не видно. Астрономы обнаружили новый класс объектов — гипермягкие рентгеновские источники. Они настолько «холодные» по меркам рентгена, что их излучение приходится на границу ультрафиолета и мягкого рентгена, где обычные телескопы почти слепы.

Нейтрон — частица, из которой в основном состоят нейтронные звёзды. Сам по себе он нестабилен: свободный нейтрон живёт около пятнадцати минут, а потом распадается на протон, электрон и антинейтрино. Но в двух разных типах экспериментов время жизни получается разным — в пучке частиц нейтроны живут чуть дольше, чем в ловушке.

В галактике Большое Магелланово Облако, что кружит вокруг нашего Млечного Пути, астрономы поймали пять звёзд, которые выглядят как ископаемые из очень далёкого прошлого. В них почти нет металлов — всего от одной сотой до одной тысячной доли того, что есть в Солнце, зато углерода в десятки раз больше.

В 300 световых годах от нас звезда танцует с невидимым партнёром. Одна её сторона разогрета сильнее другой — словно незримый танцор дышит на неё горячим ветром. Этот партнёр — нейтронная звезда: звёздный огарок размером с город, но такой плотный, что чайная ложка его вещества перевесила бы Эверест.

Нейтронная звезда — это спрессованный остаток массивного светила: вещество в ней сжато до такой степени, что его гора размером с напёрсток обладает колоссальной плотностью.

В центре остатка сверхновой SN 1987A, в 168 000 световых лет от Земли, спрятан объект, который астрономы ищут уже 37 лет. Это ближайшая сверхновая, взорвавшаяся на глазах у современных телескопов, и единственная, где компактный остаток до сих пор не удалось увидеть напрямую.