Во Вселенной есть вещи, которых на самом деле не существует. Звучит странно, неправда ли? И этих вещей, которых нет, на самом деле больше, чем тех, которые есть. Или нет… Потому что их просто не существует. В общем не будем сегодня путаться в философских рассуждениях. Да, речь идёт о чём-то, чего на самом деле не существует во Вселенной. Но, безусловно, в какой-то момент оно появится. Это – так называемые «чёрные карлики».
Сначала белые
Чтобы понять, что такое чёрный карлик, нам нужно начать со звезд. Звезда размером с наше Солнце не живёт вечно. По крайней мере, как звезда. То есть как астрономический объект, который выделяет энергию в результате термоядерного синтеза. Ведь для него требуется достаточное количество водорода. Когда он закончится, звезда сможет в течение (с астрономической точки зрения) короткого времени использовать в качестве топлива еще несколько химических элементов. Например, гелий или кислород. Но рано или поздно всё будет кончено. Любое производство энергии внутри звезды прекратится, и она сильно сожмётся под действием собственного веса.
Так рождается белый карлик. Но это ещё не конец. Вещество звезды продолжит изменять свои физические свойства. Атомы будут всё больше и больше сжиматься. Теперь нам нужно обратить внимание на электроны, которые могут находиться внутри оболочки атомов. Электроны – это так называемые «фермионы». Так называются частицы, которые немного, если можно так сказать, антисоциальны. Каждому электрону нужно своё собственное личное пространство, в котором нет места другому ему подобному. В отличие, например, от частиц света, фотонов. Это так называемые «бозоны». И у них нет проблем с тем, чтобы делить своё место с другими бозонами. Эти частицы можно «собрать в кучу». Электроны – нет.
Свободу электронам!
Это также можно представить следующим образом: чем меньше места доступно электрону, тем быстрее он должен двигаться. Это связано со знаменитым принципом неопределённости Гейзенберга в квантовой механике. Местоположение и скорость (точнее, местоположение и импульс, но в нашем случае все сводится к одному и тому же) частицы взаимосвязаны. Если эти параметры перемножить, то результат не может быть меньше фундаментальной постоянной природы – постоянной Планка. Иными словами, местоположение и скорость не могут одновременно становиться все меньше и меньше.
Таким образом у электрона остаётся всё меньше свободного пространства. Потому что звезда продолжает сжиматься под действием собственного веса. И по этой причине его скорость должна всё время увеличиваться.
Электроны сопротивляются гравитационной силе, которая стремится сжимать звезду всё дальше и дальше. И в какой-то момент коллапс прекращается. Конечно, это возможно только в том случае, если масса звезды не слишком велика. Если она превышает определённую массу, коллапс будет продолжаться. И в итоге возникнут чрезвычайно плотные и маленькие объекты, такие как нейтронные звезды или черные дыры.
Но сегодня мы говорим не о таких больших звёздах. Мы говорим о звёздах, подобных нашему Солнцу. Что касается их массы, то коллапс заканчивается, когда они достигает размера, примерно равного размеру Земли.
Космическая клубничка
Итак, у нас есть объект размером с планету. Но с массой, равной массе звезды. И её материал очень сильно сжат. Если взять кусочек белого карлика размером с небольшую клубничку (да, я знаю, обычно в качестве сравнения используется кусочек сахара, но мне больше нравится клубничка), то он бы имел такую же массу, как и знаменитый спорткар ВАЗ 2101😁.
Этот объект (сжавшуюся звезду) учёные называют «белый карлик». Но мы всё еще не достигли конца развития это постзвёздного объекта. Хотя внутри белого карлика мало что происходит. Термоядерный синтез остановился. Ничего не горит. Скука и болото.
Ядро белого карлика состоит из тяжёлых элементов, которые ранее возникли в результате термоядерного синтеза. Дальше находятся слои гелия и водорода. Но белый карлик все еще горячий. Его внутренняя часть имеет температуру в несколько миллионов градусов! И эта энергия сильно нагревает внешние слои белого карлика. Они могут излучать тепло. И в результате белый карлик начинает светиться тёплым ламповым светом. Хотя при этом объект сам не производит никакой новой энергии.
Чёрные карлики
Но, конечно же, это не может продолжаться вечно. Поскольку белый карлик – это очень горячий объект, который живёт в окружающей его холодной Вселенной. Эдакий остывающий уголёк некогда величественного костра. Но что же происходит с таким объектом со временем? Конечно же он остывает, что же еще. Белый карлик становится всё холоднее, холоднее и холоднее. Пока в какой-то момент он не достигнет точно такой же температуры, что и окружающая его Вселенная. И тогда белый карлик превращается в… ужасного злобного (ухахахаха) чёрного карлика (шутка)😀.
Учёные знают, что белые карлики действительно существуют. Астрономы уже обнаружили множество таких объектов во Вселенной. Они также обнаружили очень холодных белых карликов, температура поверхности которых составляет чуть менее 3500 градусов по Цельсию. Это означает, что они должны быть уже очень старыми. Их возраст оценивается примерно в 11-12 миллиардов лет. Но до чёрного карлика им всё равно еще очень далеко.
Фоновая температура космоса в настоящее время составляет чуть менее 3 Кельвинов. Или около -270 градусов по Цельсию. По некоторым оценкам, типичному белому карлику потребуется как минимум квадриллион (1х10^15 лет, чтобы остыть до температуры 5 Кельвинов. Но нашей Вселенной всего 13,8 миллиарда лет. То есть нам нужно подождать почти в сто тысяч раз дольше, чем существует Вселенная для того, чтобы получить шанс найти где-нибудь в космосе чёрного карлика!
И другие разные процессы
Но если всё пойдёт не так, как надо, этот процесс может занять гораздо больше времени. Потому что чёрный карлик может… разогреться! Хотя нет, это немного не так. Он больше не согреется по-настоящему, несмотря ни на что. Однако есть процессы, которые могут задержать его охлаждение. Например, распад протона. Существуют физические гипотезы, согласно которым протон, то есть один из строительных блоков, из которых состоят атомные ядра, на самом деле не совсем стабилен. Это означает, что в какой-то момент времени он может вдруг самопроизвольно распасться и превратиться в другие частицы.
Наука пока не знает, так ли это на самом деле. Поскольку проведённые эксперименты пока еще не обнаружили никаких конкретных следов подобных событий. Но если это возможно, то для распада протона должно пройти очень и очень много времени. По разным оценкам, протон живёт примерно 1×10^34 – 10^37 лет. Это настолько абсурдно долгий срок, который Вы и представить себе не сможете.
Любая звезда, а также любой белый карлик содержат очень и очень много протонов. И чисто статистически, некоторые из них должны будут распасться. Казалось бы – ну и что? Это не должно оказать большого влияния на охлаждение белого карлика. Но со временем (а на охлаждение у белого карлика, как мы уже выяснили выше, уходит очень много времени) этот процесс больше нельзя будет игнорировать.
Это связано с тем, что распадающиеся протоны будут выделять энергию. Да, её должно быть не особо много. Но вполне достаточно, чтобы поддерживать температуру белого карлика на высоком уровне в течение примерно 1×10^37 лет выше фоновой температуры Вселенной (которая, кстати, со временем тоже будет понижаться).
Гравитационная нить
Существуют и другие механизмы, которые могут влиять на охлаждение белого карлика. Например – его взаимодействие с некоторыми гипотетическими формами темной материи, которое тоже может задержать охлаждение.
Мы не знаем, распадаются ли протоны или существуют другие пути, которые помогают белому карлику сохранять тепло. Единственное, что можно сказать наверняка, это то, что такому объекту потребуется невероятно много времени, чтобы превратиться в чёрного карлика.
И всё же это произошло. Всё?
Нет. Чёрный карлик не просто висит и ничего не делает. Он оказывает гравитационное воздействие на окружающую среду. И это был бы единственный признак, по которому можно было бы найти в космосе такую штуку. Но можно с уверенностью предположить, что в таком отдалённом будущем уже не будет ни земных астрономов, которые могли бы отправиться на такие поиски, ни планеты Земля, на которой эти астрономы по ночам прятали бы свои худенькие ножки в шерстяные носки перед сном.
Но если БЫ КТО-НИБУДЬ в этом будущем космосе все-таки посмотрел на небо осознанным взглядом, возможно, у него был бы шанс увидеть действительно необычный объект: таинственный чёрный карлик…