сверхновая с парной нестабильностью

В густом облаке газа и пыли, где рождаются массивные звёзды, две молодые звезды недавно прошли очень близко друг от друга. Их танец длится всего около шестидесяти лет, и астрономы впервые увидели его в деталях.

В кузнице мироздания звёзды плавят не железо, а атомные ядра. Обычная печь на это способна, но иногда жар становится таким, что печь разносит на куски. Именно такой случай, похоже, произошёл со сверхновой SN 2024afyu. Её спектр показал линии серы и кремния, которые не оставляют сомнений: внутри выплавили несколько солнечных масс этих элементов. Для обычной сверхновой это неподъёмный груз.

Нейтронная звезда — это компактный остаток массивной звезды после вспышки сверхновой. Вещество в ней сжато до ядерной плотности: чайная ложка такого материала весила бы как гора. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны упакованы вплотную, и при колоссальном давлении могут рождаться гипероны — барионы, содержащие странный кварк.

Маяк вспыхивает не равномерно, а короткими яркими импульсами. Нейтронная звезда в системе 4U 1323-62 — такой маяк в рентгеновском диапазоне. Она стягивает газ с соседней звезды, и когда на её поверхности скапливается достаточно вещества, происходит термоядерный взрыв — рентгеновская вспышка.

В ядерной физике давно не давала покоя загадка: почему среди элементов легче висмута только технеций (№43) и прометий (№61) не имеют ни одного стабильного изотопа — разновидности атома с тем же числом протонов, но другим числом нейтронов? Все их соседи по таблице Менделеева могут похвастаться хотя бы одним долгоживущим вариантом, а эти два словно выпадают из общей закономерности.

Молодое звёздное скопление похоже на оркестр перед концертом: каждый инструмент настраивается по-своему, и общий гул кажется хаосом. Но если прислушаться, можно различить отдельные ноты. Примерно так астрономы изучают переменные звёзды типа δ Щита — их яркость меняется с периодами от получаса до нескольких часов, и в этой пульсации зашифрованы масса, возраст и внутреннее устройство.

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.

Два сверхплотных шара, каждый размером с город, кружатся в танце. Их масса меньше солнечной, но внутри — вещество, сжатое до немыслимых пределов. Один шар — нейтронная звезда, другой — странная звезда, целиком состоящая из кварков (элементарных частиц, из которых сложены протоны и нейтроны). Когда они сталкиваются, разница становится слышна.

Бозонные звёзды — это гравитационные атомы. Только вместо электрического заряда ядром служит сама гравитация, удерживающая облако скалярного поля в квантованных сгустках. Ещё в 1930-х Ф. Цвикки заподозрил нехватку видимой массы в скоплениях галактик, а В.

Горячий младенец и холодный взрослый — одна и та же нейтронная звезда выглядит по-разному. Едва родившись во взрыве сверхновой, она раскалена до десятков миллиардов градусов. Но проходит время, и она остывает, сжимаясь, как остывающий металл. Для звезды PSR J1012+5307 этот переход означает почти двукратное уменьшение радиуса.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая кузница, где за секунды выковываются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. В 2017 году детекторы уловили гравитационные волны от такого слияния, а телескопы увидели вспышку — килоновую.

Детекторы LIGO и Virgo ловят рябь пространства-времени, но некоторые сигналы заставляют переписывать сценарии звёздной смерти. GW190814 — слияние чёрной дыры в 23 массы Солнца с компактным объектом в 2,6 солнечных — дисгармоничный аккорд в симфонии стандартных моделей.

Струна звучит идеально чисто, пока её не тронет сквозняк. Примерно так работает суперрадиантный лазер: пучок атомов, заранее заряженных энергией, пролетает сквозь комнату из двух зеркал — оптический резонатор (ловушку, где свет мечется туда-сюда). Атомы дружно отдают запасённый свет, и рождается луч с чрезвычайно стабильной частотой — такой хоть в атомные часы ставь.

В недрах нейтронной звезды — остатка взорвавшегося светила — вещество сжато так, что чайная ложка весит миллиарды тонн. Среди этой сверхплотной материи, возможно, действует особая разновидность сил — та, что касается только мюонных и тау-нейтрино. Такая сила предсказана некоторыми расширениями Стандартной модели физики частиц.

Два камня падают в пруд. От каждого расходятся круги, но стоит им столкнуться — возникает всплеск и короткий звонкий удар. Примерно так же звучит слияние двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил.

Представьте канатоходца, балансирующего над пропастью. Каждый шаг меняет натяжение каната, и малейший сдвиг центра тяжести может оказаться роковым. Примерно так выглядит танец обычной солнцеподобной звезды вокруг чёрной дыры в десять солнечных масс, если орбита сильно вытянута.

В оркестре каждый музыкант играет свою партию, но в определённый момент все инструменты замирают на одной ноте. Примерно так ведут себя космические лучи — частицы, летящие к нам от далёких звёзд.

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.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так сильно, что атомные ядра слипаются в длинные тяжи и плоские листы. Астрофизики называют эти структуры ядерными макаронами. На их поверхности плотность вещества падает почти до нуля — как если бы вы вынырнули из густого киселя в разреженный воздух. Именно этот резкий перепад и создаёт необычный эффект.

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.

Лампочка, которая не перегорает, а вспыхивает всё ярче и ярче, пока не разнесёт весь светильник. Примерно так умирают самые массивные звёзды во Вселенной. Когда ядро звезды раскаляется до миллиардов градусов, в нём начинают рождаться пары частиц — электроны и их антиподы, позитроны. Этот процесс забирает энергию, которая раньше держала звезду, и она схлопывается, но не тихо, а с чудовищным термоядерным взрывом.

Когда горячий суп остывает, на поверхности появляются сгустки — так и ранняя Вселенная, остывая, рождала нитевидные сгустки энергии, космические струны. Некоторые из них похожи на натянутую резинку: пока цела — стабильна. Но если резинку надрезать, она рвётся.

В переполненном зале, где кружатся пары, порой пробегает волна: одни пары распадаются, другие возникают, и движение подхватывает всех. Похожим образом ведёт себя густое облако нейтрино — мельчайших частиц, которые почти не замечают вещества.

Свежий урожай гравитационных волн принёс загадку. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали десятки сигналов от сливающихся чёрных дыр, и на графике их масс зияет провал: объектов тяжелее 45 Солнц почти нет, а те, что есть, крутятся подозрительно быстро. Кто-то говорит — звёзды-гиганты взрываются слишком «чисто», не оставляя после себя ничего.

В скоплении Наугольник, ближайшем к нам богатом скоплении галактик, астрономы заметили ударную волну. Она возникла, когда одно скопление врезалось в другое, как волна от носа корабля, рассекающего воду. Эта волна сжала и разогрела газ между галактиками. Две галактики оказались прямо за фронтом волны. У первой, ESO 137-001, газ срывается потоком, как листья с дерева на сильном ветру.

Нейтронная звезда — это остаток взорвавшейся звезды, сжатый до размеров города. В её ядре вещество спрессовано так плотно, что чайная ложка такого вещества весила бы как гора. При такой плотности, как предсказывает теория сильных взаимодействий, у частиц появляются «двойники» — партнёры по чётности.

В 2019 году детекторы гравитационных волн поймали сигнал от слияния далёких объектов. Один из них был чёрной дырой в 23 массы Солнца. Второй весил всего 2,5 солнечных массы — и это странно. Обычно нейтронные звёзды не бывают тяжелее двух масс Солнца: при большей массе они сжимаются в чёрную дыру.

Два прожектора стоят вплотную: издалека их свет сливается в одно пятно, и кажется, что источник один. Так и в космосе: около 10–20% тусклых звёзд — на самом деле тесные пары одинаковых светил. По отдельности их не разглядеть, но вместе они светят заметно ярче, чем одиночная звезда с теми же параметрами.

В радиоданных неба, как на старой фотоплёнке, проявились две светлые полосы газа. Они движутся с разными скоростями, но висят рядом с одной и той же тусклой звездой. Звезда и полосы оказались внутри огромного пустого пузыря в межзвёздном газе. Этот пузырь — как выдутый мыльный шар, оставшийся после взрыва древней сверхновой.

В центре нейтронной звезды вещество сжато так сильно, что протоны и нейтроны превращаются в более тяжёлые частицы — гипероны. Эти частицы похожи на нейтроны, но содержат странный кварк. Долгое время физики не могли понять, как звезда с гиперонами внутри может быть такой тяжёлой, как показывают наблюдения.

В тёмном уголке Млечного Пути работает природный метроном. Каждые 8196 секунд — примерно 2 часа 16 минут — на поверхности нейтронной звезды вспыхивает рентгеновский свет. Звезда EP J171159.4-333253 притягивает газ от соседней звезды, и этот газ, падая, накапливается на её поверхности.

В звёздном скоплении, как в переполненном танцполе, массивные звёзды редко остаются в одиночестве. Чаще всего они кружатся в парах или тройках, и расстояние между ними может быть меньше, чем от Земли до Солнца. Но как им удаётся так тесно прижаться друг к другу? Моделирование показало: всё дело в диске из газа и пыли, который окутывает пару.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» зафиксировал яркие точечные источники света из эпохи, отстоящей от Большого Взрыва всего на 100–300 миллионов лет. Первоначально их интерпретировали как далёкие галактики, однако теперь астрономы выдвигают гипотезу: возможно, это не целые звёздные системы, а одиночные вспышки — взрывы самых первых звёзд во Вселенной.

Представьте мост через реку, у которого вырвана середина: машины на том берегу — неожиданность. Так астрономы долго смотрели на чёрные дыры с массой от 50 до 130 солнечных: звёзды, способные их породить, взрываются как сверхновые парной нестабильности.

В 1181 году китайские и японские астрономы записали появление «звезды-гостьи» — яркого светила, которое полгода сияло в созвездии Кассиопеи, а затем исчезло. Сегодня на этом месте находится Pa 30: туманность с горячим центральным источником, выбрасывающим вещество со скоростью 16 000 км/с.

В тихой гавани Местного пузыря — разреженной полости горячего газа вокруг Солнца — недавно прогремел взрыв. Сверхновая вспыхнула в десятках парсек от нас, и её эхо до сих пор гуляет по окрестностям, меняя картину космических лучей. Долгое время считалось, что поток частиц из Галактики однороден, как свет от множества далёких фонарей.