гравитационная неустойчивость

В центре ультракомпактной карликовой галактики (очень плотной звёздной системы размером в десятки световых лет) работает пылесос. Только вместо пыли он всасывает газ, который сбрасывают умирающие звёзды. Этот газ не разлетается в стороны, а закручивается в воронку — вращающийся диск, который постепенно оседает на чёрную дыру.

Чёрная дыра — не просто гравитационная бездна, а динамическая система с собственной термодинамикой. Её температура растёт по мере испарения, и авторы исследования обнаружили: при достижении критического порога дыра претерпевает фазовый переход — качественную перестройку состояния, подобную кипению воды при ста градусах.

Газовый диск весом в четыреста тысяч солнц опоясывает сверхмассивную чёрную дыру в центре Млечного Пути. Его притяжение работает как гравитационный руль: медленно, но неотвратимо разворачивает орбиты двойных звёзд, загоняя их в область, где приливные силы разрывают пару на части.

89 миллисекунд. Именно столько длится сход вихревой лавины, которая резко ускоряет вращение пульсара Vela — одного из самых известных «сбойных» пульсаров. Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, рождающиеся в коллапсе сверхновых.

Костёр горит ровно и долго. Но стоит подуть ветру — и пламя срывается, оставляя лишь угли. Похожая история разыгралась с гравастаром — гипотетическим объектом, который должен был заменить чёрную дыру. Обычная чёрная дыра прячет в себе сингулярность — точку, где законы физики ломаются.

Внутри планет и звёзд, во вращающихся океанах плазмы, сталкиваются турбулентные потоки, силы Кориолиса и магнитное натяжение. Главная интрига — как энергия этого хаоса кристаллизуется в устойчивый магнитный каркас, способный просуществовать миллиарды лет.

Густая похлёбка медленно остывает в кастрюле. Внезапно огонь под ней вспыхивает, и похлёбка начинает бурлить, разбиваясь на множество маленьких водоворотов. Примерно так же ведёт себя диск из газа и пыли вокруг молодой звезды, когда та переживает вспышку — резкий приток вещества из диска на звезду.

Волчок размером с город, который весит больше Солнца и делает сотни оборотов в секунду. Это нейтронная звезда — остаток взорвавшегося светила. Иногда её вращение вдруг ускоряется, будто внутри что-то переключилось. Астрономы называют такие скачки глитчами и подозревают, что виной всему невидимые вихри в сверхтекучей начинке звезды. Внутренности нейтронной звезды напоминают слоёный пирог.

Фигурист на льду прижимает руки к телу — и его вращение резко ускоряется. Когда массивная звезда исчерпывает топливо и её ядро схлопывается, происходит нечто похожее, только в космических масштабах. Ядро сжимается в шар размером с город, и если оно быстро вращается, внутри может возникнуть особая нестабильность.

Космический учёт дал сбой. Бухгалтер сводит баланс: в одной колонке — все планеты, которые астрономы насчитали в Галактике, в другой — запасы строительного материала в пылевых коконах новорождённых звёзд. Цифры не бьются. Даже если собрать всю пыль до последней крупинки и слепить из неё планеты, материала не хватит.

В центре почти каждой крупной галактики прячется нечто сверхмассивное и тёмное. Чаще всего это нечто считают чёрной дырой — областью, где тяготение настолько сильно, что даже свет не может её покинуть. Но что, если там не чёрная дыра, а плотный шар из сверхлёгких частиц — бозонная звезда?

Огромный вращающийся блин из газа и пыли окружает молодую звезду. В таком «родильном доме» для планет часто видят кольца и промежутки — будто невидимый плуг прочертил борозды. Обычно их связывают с уже сформировавшимися планетами, которые своей гравитацией расчищают дорожки.

В речном потоке вода нередко закручивается в воронки. Но аналогичное поведение демонстрируют и носители заряда в полупроводниках — основе современных микрочипов. При низких температурах и в образцах исключительной чистоты электроны переходят в особое состояние, напоминающее жидкость.

После Большого взрыва тёмная материя — загадочный компонент, проявляющий себя только через гравитацию — и обычное вещество, состоявшее в основном из водорода, приобрели разные скорости.

Старинный сундук с семейными реликвиями открывается — и внутри лежат украшения, которые считались ровесниками прабабушки. Но вдруг выясняется: золото переплавляли, камни огранивали заново, и случилось это гораздо позже, чем думали. Похожая история приключилась с древнейшими частицами в метеоритах — кальциево-алюминиевыми включениями, или CAI.

Воздушный шарик в ладони спружинит одинаково во все стороны. А вот бутылка с газировкой ведёт себя иначе: вдоль горлышка она жёсткая, а поперёк легко сминается. Примерно так устроено давление внутри некоторых звёзд — оно может быть неодинаковым по разным направлениям. Такие звёзды называют анизотропными, и их поведение до сих пор описывали разрозненными методами.

Химическая реакция подобна проходу через турникет: толпа создаёт энтропийный хаос и застревает, тогда как упорядоченная очередь движется свободно. В квантовом мире, однако, когда этот хаос стихает, энергетический барьер может стать «призрачным» — частица проникает сквозь него, словно турникет исчезает.

Брошенный камень летит по чёткой дуге, а местоположение электрона в атоме размазано, словно туман. Переход от одного к другому — загадка. Новая работа показывает: размытость исчезает не из-за наблюдателя, а из-за собственной тяжести.

На нейтронную звезду — сверхплотный остаток взорвавшейся звезды — падает газ. Этот газ накапливается на магнитных полюсах и образует гору. Но гора на нейтронной звезде не похожа на земную: она удерживается не камнем, а силовыми линиями магнитного поля, как железные опилки на магните. Когда газа становится слишком много, гора начинает разрушаться.

В диске из газа и пыли вокруг молодой звезды частицы пыли ведут себя как песчинки в потоке воды: газ течёт быстрее, пыль отстаёт, и между ними возникает трение. Это трение способно раскачивать магнитные волны, которые бегут по диску. Галактика полна таких дисков — именно в них рождаются планеты.

Бросьте два одинаковых камешка с вершины горы: один ляжет на сантиметр левее, и через минуту они окажутся в разных долинах. Галактика — та же гора, только камешков в ней миллиарды, а склон тянется миллионы лет. Авторы новой работы смоделировали диск из 40 миллионов точек-звёзд и проверили, как быстро он забывает, где был вначале. Оказалось, почти мгновенно.

В холодных облаках межзвёздного газа тянутся длинные плотные нити. В них, как в переполненных инкубаторах, зреют будущие звёзды. Долгое время считалось, что внутри таких нитей всё подчинено гравитации: вещество плавно стекается к центрам, где плотность растёт и в конце концов вспыхивает звезда. Но новые наблюдения показывают иную картину.

Вокруг молодых звёзд кружатся диски из газа и пыли — строительный материал для будущих планет. Внутри этих дисков пылинки не просто летают как попало: они выстраиваются вдоль невидимых линий, по которым течёт газ. Недавно астрономы заметили, что пылинки в таких дисках ведут себя как воланы для бадминтона — всегда разворачиваются длинной стороной по ветру.

Пылевая лавина — это не просто сугроб, съехавший с горы. Это облако, которое несётся вниз по склону со скоростью автомобиля. Внутри него снег не лежит, а летит: тысячи мелких частиц подхвачены вихрями воздуха. До сих пор никто не видел, что именно происходит с каждой снежинкой в этом хаосе. Теперь у учёных появилась первая съёмка.

В холодных газовых облаках, где рождаются звёзды-гиганты, всё кипит от движения. Газ сжимается, закручивается, дробится на сгустки — будущие звёзды. Долгое время считалось, что порядок здесь наводит магнитное поле: оно, как невидимые нити, вытягивает сгустки поперёк себя. Но новые наблюдения показали обратное. Астрономы навели радиотелескоп ALMA на 30 областей, где формируются массивные звёзды.

Планеты рождаются из пыли. В диске вокруг молодой звезды крошечные пылинки сталкиваются, слипаются и постепенно растут, как снежный ком, катящийся с горы. Но есть препятствие: газ в диске движется быстрее пыли и тормозит её, не давая собраться в крупные комки. Чтобы пыль всё же слипалась, её должно стать достаточно много.

В протопланетном диске — облаке газа и пыли вокруг молодой звезды — пылинки не просто летают по кругу. Они увлекаются газовым потоком, как песок ветром, и сами меняют этот поток. Возникают слои, скользящие друг относительно друга, и на их границе рождается неустойчивость — волны и вихри.

Газовое облако размером с небольшую галактику падает на Млечный Путь со скоростью в сотни километров в секунду. Такие облака называют высокоскоростными, и до сих пор в них не находили звёзд — только газ. Теперь в одном из них, которое носит имя Complex H, астрономы разглядели пару молодых звёздных скоплений. Скоплениям 11,2 миллиона лет — по звёздным меркам это младенчество.

В созвездии, где рождаются новые звёзды, одна из них ведёт себя как неисправная лампочка: то светит ровно, то вдруг тускнеет в несколько раз. Астрономы следят за звездой Gaia-GIC-1 уже несколько лет и теперь понимают, что её мигание — это тень от огромного облака пыли, которое то и дело проходит перед ней. Пыль не просто космический мусор, а свежие обломки: похоже, совсем недавно там столкнулись две планеты.

Галактика влетает в густое скопление, как бегун в толпу. Встречный поток газа — его называют внутрископленческой средой — срывает с неё собственный газ, вытягивая длинный светящийся хвост. Такие галактики астрономы прозвали медузами: у них есть тело и развевающиеся щупальца из оторванного вещества. Но лишь у немногих в этих щупальцах вспыхивают новые звёзды.

Стекло — материал с характером. Оно кажется хрупким, но внутри него могут жить мощные невидимые силы. В химически упрочнённом стекле поверхность сжата, как натянутая резинка, а глубина, наоборот, растянута. Когда в такое стекло врезается быстрый предмет, эта резинка рвётся сразу во многих местах. Учёные стреляли по стеклу снарядами и смотрели, как оно рассыпается.

Молодая планета в газовом диске напоминает пловца, который пытается плыть против течения: трение о газ тормозит её, и она по спирали приближается к звезде. Для небольших каменистых планет такое падение может занять меньше времени, чем нужно для их роста. Но в диске есть и встречные потоки — вихри, которые могут подталкивать планету наружу. Учёные построили компьютерную модель диска вокруг молодой звезды.

Когда две плиты земной коры трутся друг о друга, между ними оказывается слой перемолотой породы — как песок между ладонями. Этот слой, который геологи называют разломной глиной, ведёт себя не как твёрдый камень, а как густая паста: он может уплотняться, расширяться и скользить.

В токамаке плазма — как толпа на узкой улице: стоит кому-то побежать, и все срываются разом. В стеллараторе с некруглым сечением улица извилистая, с тупиками и карманами. Толпа не может собраться в одну волну — люди застревают по разным углам. Так и плазменные волны: в трёхмерной геометрии они локализуются, как звук в лабиринте.

Карликовая галактика Стрелец — спутник нашей Галактики — неоднократно врезалась в диск Млечного Пути, подобно камню, брошенному в спокойный пруд. Каждое такое столкновение порождало гравитационные возмущения: волны плотности и изгибы звёздного поля, которые астрономы наблюдают сегодня.

Планета-гигант кружит слишком близко к звезде. Каждый оборот она тянет звезду своей гравитацией, и в глубине звезды рождаются волны — как круги от камня, брошенного в воду. Эти волны гасят орбиту планеты, и она по спирали падает в звезду. Звезда проглатывает планету и начинает вращаться быстрее. Вращение звезды — ключ к разгадке.

В холодных облаках газа и пыли, где когда-нибудь зажгутся звёзды, часть атомов потеряла электроны и стала заряженной. Заряженные частицы чувствуют магнитное поле, а нейтральные — нет, поэтому одни проскальзывают сквозь другие, как вода сквозь сито. Астрономы измерили скорость этого проскальзывания: около ста метров в секунду. Немало — быстрее гоночной машины. Но почему именно столько?

Молодая звезда окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — это строительная площадка будущих планет. Диск живёт своей жизнью: газ течёт к звезде, пыль слипается в комки, а снаружи на всё это давит жёсткий ультрафиолет от соседних горячих звёзд, как ветер сдувает листья с дорожки.

Вокруг молодых звёзд кружатся плоские облака из газа и пыли — из них потом собираются планеты. Чтобы вещество в таком диске слипалось в комки, оно должно постоянно перемешиваться. Но что заставляет газ двигаться хаотично, если сам по себе он спокоен? Часть ответа кроется в том, что газ в диске почти не проводит электричество — он слабо ионизирован.

Внутри планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, тепло не всегда поднимается свободно. Тяжёлые элементы, которых больше в одних слоях и меньше в других, не дают горячей жидкости всплывать. Возникает полуконвекция — перемешивание, при котором тепло и состав распространяются с разной скоростью.