Что происходит при столкновении планет, звёзд и чёрных дыр?

   Сначала небольшое вступление.

   Что меня интересует в достижениях науки?

   Меня прежде всего интересуют знания о Вселенной, то есть о Космосе. Как устроена Вселенная? Что мы об этом знаем? Например , Хохлов или даже Лернер публикуют все разные сообщения о разных технических событиях на Земле. Мне это  интересно, конечно же, но не совсем. Точнее, мне более  интересны фундаментальные открытия, которые указывают путь к решению больших технических проблем или расширяют сильно наши знания. Мы уже много знаем о Вселенной, но мы не знаем ответа на главные вопросы: откуда это всё взялось, когда было начало? А ответы в том смысле, что начала не было -- просто не укладываются в голове, да это и не ответы. Это как объяснение о том, что Земля держится на трёх китах.

   Мы живём в эпоху, когда уже существует настоящая Наука, а не шарлатанство, но мы находимся только в начале долгого Пути во Вселенную. Мы только научились взлетать на орбиту Земли, но даже ещё не сумели высадиться на Луну.

   Сначала надо высадиться на Луну, сделать там постоянную научную базу, отработать СЖО и соответствующую технику и жилые модули, а потом уже лететь на Марс и осваивать его.

   Далее, возможно, будет освоение Венеры.

  Но освоение Марса для жизни займёт столетия, а терраформирование Венеры -- это вообще процесс непонятной длительности -- тысяча лет или больше?

   Так что в ближайшую тысячу лет человечеству (основной его массе) придётся жить на Земле, так как Земля является самым лучшим местом для жизни человека.

   Но вот и всё. Больше в нашей Солнечной системе осваивать нечего, то есть Америк больше не будет -- далее надо будет лететь к звёздам. То есть все  другие планеты Солнечной системы непригодны для жизни человека так, как на Земле. То есть жизнь на других планетах будет возможна только в специальных конструкциях, защищающих человека от космоса.  А это дорого, поэтому возможно, что на планетах будут функционировать только научные станции с небольшими командами. Возможно также, что будут созданы межпланетные искусственные научные станции (с экипажем в несколько десятков человек) с вытянутыми орбитами для того, чтобы мониторить Солнечную систему на предмет раннего обнаружения опасных астероидов из Облака Оорта и для каких-то других задач, которые выдвинет время. Я думаю, что таких постоянных станций потребуется около десятка.

    А полёты к звёздам -- это пока фантастика. Когда это начнётся? Через 1000 лет?

   А теперь статья.

  Столкновение двух нейтронных звёзд – основной источник многих из тяжелейших элементов периодической таблицы во Вселенной. При таком столкновении выбрасывается 3-5% массы; всё остальное превращается в чёрную дыру.

   Вселенная в известном нам виде существует уже почти 14 млрд лет: достаточно времени для того, чтобы гравитация стянула материю в скопления, комки и схлопнувшиеся объекты. К сегодняшнему дню Вселенная заполнена планетами, звёздами, галактиками, и ещё более крупными структурами, связанными гравитацией на фоне расширяющейся Вселенной.

   Но всё не так уж ясно и просто. Хоть космос и огромен, в нашей галактике существуют триллионы объектов, двигающиеся миллиарды лет. Некоторые сформировавшиеся системы содержат в себе по нескольку объектов, и их столкновения не просто вероятны – они неизбежны. А при столкновении или слиянии они меняются навсегда. И вот космическая история того, что при этом происходит.

   Когда объект сталкивается с планетой, он может выбить из неё осколки, что приведёт к формированию лун. Так появилась наша Луна, а также, как мы думаем, луны Марса и Плутона.

Столкновения планеты с планетой. На ранних этапах развития Солнечной системы, скорее всего, планет было больше восьми. Между Юпитером и Нептуном мог существовать ещё один газовый гигант; лучшие наши симуляции говорят о том, что его выбросило из системы. Но считается, что во внутренней Солнечной системе был ещё один мир размером с Марс, столкнувшийся с молодой Землёй, породив огромное облако обломков, собравшихся и создавших Луну. Модель ударного формирования Луны (или “гигантское столкновение”) тщательно подтвердили множеством различных свидетельств.

   Вместо наблюдаемых сегодня двух лун столкновение, породившее околопланетный диск, могло создать у Марса три луны, из которых до сегодняшних дней дожили только две.

   Кроме этого, у нас есть неплохие свидетельства того, что и у Марса луны появились из-за большого протопланетного столкновения – и что изначально у него было три луны, а потом одна из них упала обратно на поверхность.

   Из всех проведённых симуляций и накопленных свидетельств следует, что скалистые планеты сравнимого размера довольно часто сталкиваются друг с другом на ранних уровнях развития солнечных систем. При столкновении возникает одна, более крупная планета, и облако осколков, которое собирается в один, недалеко расположенный крупный спутник, и несколько более мелких и удалённых. Система Плутон-Харон – прекрасный пример такого явления, в котором подальше от них кувыркаются ещё четыре дополнительных луны.

   Сценарий сближения по спирали и слияния коричневых карликов, находящихся так далеко друг от друга, как эти, займёт очень долгое время из-за гравитационных волн. Но вероятность столкновения довольно высока. Красные звёзды при столкновении порождают голубые отставшие звёзды, а коричневые карлики могут при столкновении порождать красных карликов. Спустя достаточно долгое время такие вспышки света могут стать единственными источниками света во Вселенной

Столкновения коричневых карликов. Хотите создать звезду, но не набрали достаточно массы для этого, а газовое облако, которым вы пользовались, уже схлопнулось? У вас есть второй шанс! Коричневые карлики похожи на крайне массивных газовых гигантов, превышая по массе Юпитер в десяток раз, и разогреваются до достаточно высоких температур (порядка 1 000 000 К) и давлений в центре, чтобы запустить синтез из дейтерия, но недостаточных для синтеза из водорода. Они испускают свет, остаются относительно холодными, и не дотягивают до звания настоящих звёзд. По массе они находятся в промежутке от 1% до 7,5% от солнечной, и считаются неудавшимися звёздами.

   Но если у нас два карлика составляют двойную систему, или принадлежат к случайно столкнувшимся разным системам, всё это может мгновенно поменяться.

   Всё потому, что состав этих неудавшихся звёзд практически не меняется со временем. Они так и состоят из 70-75% водорода, и при слиянии это несгоревшее топливо сохраняется. Если общая масса объекта после слияния превысит критический порог в 0,075 солнечных, во Вселенной появится новая звезда! С таким количеством массы в одном объекте температура превысит критические 4 000 000 К, и запустит синтез из водорода. Вместо двух коричневых карликов появится красный карлик: настоящая звезда М-класса. И у расположенной недалеко от нас системы Луман 16, всего в 6,5 световых годах, все параметры находятся соблазнительно близко к необходимому пределу, за которым она сможет стать красным карликом.

   Часть шарового скопления Terzan 5, уникальной связи с прошлым Млечного Пути.

В шаровых скоплениях можно обнаружить невероятно старые звёзды, оставшиеся от первых вспышек звёздного формирования, происходивших недалеко от нас. Но иногда встречающиеся в скоплении голубые звёзды говорят нам, что не всё так просто.

   Столкновения двух звёзд. Звёзды бывают различных масс, и те, масса которых мала, более красные, холодные, и сжигают своё топливо медленнее. Звёзды большей массы голубые, более горячие и живут меньше. Оценить возраст звёздных скоплений можно, изучая звёзды с наибольшей массой из оставшихся, поскольку самые массивные звёзды умирают первыми.

   Однако, изучая самые старые из скоплений, мы обнаруживаем популяции звёзд, более голубых и горячих, чем это должно оказаться возможным. Они просто не соответствуют остальным, окружающих им звёздам. Однако эти голубые заблудшие звёзды реальны, и у их существования есть фантастическое объяснение: столкновения звёзд.

   Голубые заблудшие звёзды (заключены в кружочки во вставке с увеличенным изображением) [фото кликабельно], формируются, когда старые звёзды или их останки сливаются вместе. После того, как отгорят последние звёзды, этот процесс может, хотя и ненадолго, вернуть свет во Вселенную

   Возьмём две (или более) звёзд и соединим их, и они породят одну, более массивную звезду. Даже когда останутся только более красные звёзды, от 0,7 до 0,8 солнечной массы, при слиянии они могут породить голубую звезду (1,5 солнечной массы), даже если их звёздное скопление слишком старое для того, чтобы там появлялись звёзды массой в 1,5 солнечной.

   Голубые заблудшие звёзды часто встречаются в плотных участках шаровых скоплений, и демонстрируют, что даже после того, как все звёзды с массой порядка солнечной и выше уже сгорели, всё ещё будут появляться новые звёзды – просто благодаря гравитационному слиянию.

   Главным событием астрономии многих источников будет слияние двух белых карликов, которые будут располагаться достаточно близко к Земле, чтобы мы смогли одновременно обнаружить нейтрино, свет и гравитационные волны. Известно, что такие объекты порождают сверхновые типа Ia.

   Столкновения белых карликов. Допустим, обычная наша звезда из главной последовательности прожила свою жизнь, сожгла всё топливо, которое могла. Ядро остатка звезды стало белым карликом: такая судьба ждёт и наше Солнце. А затем, плавая в глубинах межзвёздного пространства, она столкнулась с другим белым карликом.

БУМ!

   Столкновения белых карликов приводят к появлению сверхновых типа Ia, и возможно, принадлежат к самым распространённым способам появления этих катаклизмов. Когда это случается, в звёздах запускается неконтролируемая реакция синтеза, что выделяет огромное количество света и энергии, и полностью уничтожает обоих белых карликов, вызвавших это событие. Это один из тех типов столкновений, в которых уничтожаются оба столкнувшихся объекта.

   Представление художника о слиянии двух нейтронных звёзд. Системы из двух нейтронных звёзд сближаются по спирали и сливаются, однако самую близкую из пар, которые мы обнаружили, такое слияние ждёт не ранее, чем через 100 млн лет. До этого момента LIGO, вероятно, найдёт ещё много таких.

   Столкновения нейтронных звёзд. Нейтронные звёзды, порождённые звёздами ещё более массивными, чем те, что порождают белых карликов, часто существуют в системах из нескольких звёзд. Недавно мы наблюдали сближение по спирали и слияние двух нейтронных звёзд: событие под названием килоновая. В данном случае излучается огромный импульс энергии, а также довольно большая порция массы. Событие, отмеченное в 2017 году, стало первым, когда мы смогли наблюдать за таким объектом как в гравитационных волнах, так и в электромагнитном диапазоне.

   Массы звёздных остатков можно измерять разными способами. На графике показаны массы чёрных дыр, обнаруженных при помощи наблюдения в электромагнитном диапазоне (пурпурные); чёрные дыры, обнаруженные по гравитационным дырам (синие); нейтронные звёзды, обнаруженные в электромагнитном диапазоне (жёлтые); массы нейтронных звёзд, слившихся в событии GW170817, которое мы наблюдали в гравитационных волнах (оранжевые). В результате слияния на краткое время появилась нейтронная звезда, быстро превратившаяся в чёрную дыру.

   При слиянии двух нейтронных звёзд в одну они либо:

• Становятся более массивной нейтронной звездой (если их сумма меньше 2,5 солнечной массы),
• Становятся нейтронной звездой, которая крутится и схлопывается в чёрную дыру (если их сумма меньше 2,75 солнечной массы),
• Сразу схлопываются в чёрную дыру (если их сумма больше 2,75 солнечной массы).

   В ближайшие годы и десятилетия мы надеемся увидеть множество таких событий, чтобы ещё улучшить точность данных.

   Слияние двух чёрных дыр сравнимой массы – такое, какое наблюдали при помощи LIGO. В центрах некоторых галактик могут существовать сверхмассивные двойные чёрные дыры, и они выдадут сигнал куда как более сильный, чем изображённый здесь.

   Столкновения чёрных дыр. При слиянии чёрной дыры с чёрной дырой получится ещё более массивная ЧД. Но есть подвох: порядка 5% их массы потеряется. В первом наблюдаемом нами слиянии участвовала ЧД 36 солнечных масс и ЧД 29 солнечных масс. Однако они породили ЧД с массой в 62 солнечных. Порядка трёх солнечных масс просто пропало.

   Куда они делись? Они были испущены в виде гравитационного излучения: гравитационных волн, которые LIGO обнаружил на расстоянии в миллиард световых лет. В течение небольшого периода времени, длящегося меньше секунды, две сливающихся ЧД могут испустить больше энергии в наблюдаемую Вселенную, чем все существующие внутри неё звёзды в сумме.

   Обсерватория LIGO в Хэнфорде в штате Вашингтон, улавливающая гравитационные волны – один из трёх работающих в унисон детекторов, совместно с тем, что расположен в Ливингстоне в Лос-Анджелесе, и с детектором VIRGO в Италии.

   Ожидается существование и других столкновений – ЧД с нейтронной звездой, нейтронной звезды с белым карликом, нейтронной звезды с нормальной звездой и даже чёрной дыры с нормальной звездой. Активные галактики или микроквазары могут быть порождены чёрной дырой, пожирающей звезду или облако газа. Нам ещё предстоит засечь подобные события, хотя мы уже нашли кандидата на звание объекта Торна — Житков: красного гиганта, в качестве ядра которого выступает нейтронная звезда. Космос, возможно, и весьма велик, но он далеко не пуст. Особенно внутри галактик и шаровых скоплений плотность планет, звёзд и звёздных остатков огромна, и столкновения, подобные описанным, там неизбежны. И к каким бы последствиям они не приводили, нам предстоит это выяснить!