Звездная зола. Чем закончится диаграмма Герцшпрунга-Рассела
Голубые карлики, потомки красных карликов
Красные карлики (звезды спектрального класса M) — самые многочисленные во Вселенной. Так, почти все звезды, находящиеся в непосредственной близости от Солнца — красные карлики (из 50 самых ближних к нам звезд Солнце является 4-й по размеру). Интерес к красным карликам значительно повысился именно в последние годы, отчасти потому, что именно в системе очень тусклого и холодного красного карлика TRAPPIST-1 находится примерно семь компактно расположенных планет, как минимум три из которых должны располагаться в зоне обитаемости этой звезды.
Красные карлики завершают Главную Последовательность. Их эволюцию в настоящее время можно только моделировать, но расчеты Питера Боденгеймера из Калифорнийского университета в Беркли показывают, что срок жизни красных карликов может составлять несколько триллионов лет. При этом на протяжении всей жизни красный карлик светит ровно и стабильно, поскольку во всем объеме такой звезды происходит конвекция — перемешивание вещества.
Конвекция в красном карлике может продолжаться на протяжении почти 6 триллионов лет, поэтому звезда успевает «выработать» почти весь свой водород. Боденгеймер предполагает, что самые мелкие красные карлики в конце жизни не превратятся в красные гиганты, а, оставаясь физически компактными, вновь начнут разогреваться, став голубыми карликами.
Температура такой звезды превысит солнечную, а светимость все равно останется очень низкой. Для превращения в красный гигант масса красного карлика должна составлять не менее 0,25 M☉ (массы Солнца). Более мелкие звезды ждет превращение в голубые карлики. При этом самые мелкие из известных красных карликов имеют массу около 0,08 M☉ и могут гореть до 12 триллионов лет.
По-видимому, примерно через 800 миллиардов лет во Вселенной не останется звезд крупнее 0,3 M☉, и большинство из них окажется голубыми карликами. При этом жизнь таких звезд будет дополнительно продлеваться за счет нарастания их металличности. Металл сдерживает потерю звездной энергии, играя роль своеобразной заслонки, тем самым еще немного продлевая жизнь звезды. Вероятно, к окончанию первого триллиона лет все сохранившиеся к тому времени галактики будут иметь голубоватый оттенок, так как окажутся наполнены голубыми карликами.
Черные карлики, потомки белых карликов
В нижней части диаграммы Герцшпрунга-Рассела расположена последовательность белых карликов. Такие звезды образуются на месте красного гиганта, постепенно теряющего газовую оболочку. Ядерных реакций в них не происходит, а состоят белые карлики из постепенно остывающей раскаленной плазмы. Предполагается, что в таком состоянии белый карлик просуществует около 10 триллионов лет, после чего его поверхность перестанет излучать видимый свет. В таком случае потухшую звезду станет невозможно обнаружить в телескоп, но она все равно останется целостным объектом, который будет выдавать его гравитационное воздействие.
Самым старым белым карликам, известным в настоящее время — около 12 миллиардов лет. Таким образом, до появления первых черных карликов Вселенная должна состариться еще в тысячу раз. Тем не менее, периодичность диаграммы Герцшпрунга-Рассела позволяет уверенно предположить, что черные карлики когда-нибудь возникнут.
Блицар, потомок нейтронной звезды
Звезды такого типа — гипотетические объекты, существование которых могло бы объяснить быстрые радиовсплески (FRB), первый из которых был обнаружен в 2011 году. Про блицары на Хабре уже писали, вкратце напомню суть этого явления.
В физике известен предел Оппенгеймера-Волкова, максимальная масса, при которой нейтронная звезда еще не превращается в черную дыру. При этом данный предел рассчитывается без учета вращения, присущего многим нейтронным звездам и унаследованного от родительской звезды. Центробежная сила, возникающая при таком вращении, не дает звезде «упасть» в черную дыру, поэтому нейтронная звезда может некоторое время существовать выше предела Оппенгеймера-Волкова. В этот период звезда генерирует сильное магнитное поле, из-за которого вокруг нее исчезает аккреционный диск. В результате при падении нейтронной звезды за горизонт событий от нее «отстреливается» не вещество, а только мощное магнитное поле, что и может быть зафиксировано как быстрый радиовсплеск.
Блицары также можно считать гипотетическими объектами, поскольку непосредственно они не зафиксированы. Такие небесные тела также называются «суронами», где SURON — аббревиатура, означающая «SUpramassive Rotating Neuron star» (подмассивная вращающаяся нейтронная звезда). Физика суронов подробно изложена в этой работе; также отмечается (раздел 3.3.2), что в состоянии сурона (блицара) может удерживаться примерно 3% всех нейтронных звезд — большинству из них центробежной силы все-таки не хватает, чтобы балансировать на грани горизонта событий.
Объект Торна-Житков, потомок красного гиганта и нейтронной звезды
Кип Торн совместно с Анной Житков в 1977 году описали гипотетический объект, который мог бы возникать в случае поглощения нейтронной звезды красным гигантом. В этом случае звезда могла бы наблюдаться как пекулярная и содержать повышенные дозы лития, молибдена и рубидия. Существование звезд-гигантов с нейтронным ядром еще в 1938 году предположил Лев Ландау, почему такой объект иногда называют в честь Торна-Житков-Ландау. Наиболее вероятно, что такие звезды могут возникать при слиянии двойных звездных систем, в которые входит красный гигант и нейтронная звезда. Подобный объект должен получаться нестабильным и все равно коллапсировать в черную дыру, либо в двойную звездную систему, где вокруг общего центра масс будут обращаться нейтронная звезда и пульсар.
На практике объекты Торна-Житков пока не обнаружены. Вероятно, такая звезда должна напоминать красный сверхгигант с пекулярными линиями в спектре.
Замороженная звезда
Это еще один гипотетический объект, который может возникнуть через триллионы лет. Возможно, мы наблюдаем эпоху массивных, ярких и горячих звезд именно потому, что наша Вселенная еще слишком молода, и в ней полно гелия и водорода для образования газовых звезд. Тем не менее, так будет не всегда. Как при образовании белых карликов, так и при взрывах сверхновых, «пеплом» от ядерных реакций являются металлы, а не газы. Постепенно содержание металлов во Вселенной возрастает, и через триллионы лет новые поколения звезд будут образовываться не только и не столько из водорода, сколько из металлов. Такие объекты будут гораздо меньше нашего Солнца (около 0,04 M☉) и гораздо тусклее звезд, известных сегодня — внешне они могут быть сопоставимы с Юпитером. Тем не менее, поскольку они будут состоять из металлов легче железа, плотность их будет огромной, а тяготение на поверхности — около 100g. Именно поэтому в их недрах сможет протекать ядерный синтез, разогревающий такую звезду примерно до 0 градусов. Замороженная звезда может быть окружена своеобразной атмосферой, в которой будут плавать куски льда и, повторюсь, может испускать некоторое количество света.
В классической статье 1979 года Фримен Дайсон предполагал, что в далеком будущем все мелкие звезды, в особенности, белые карлики, станут превращаться в объекты звездной массы, состоящие из чистого железа. Предполагается, что в результате различных цепочек деления и слияния легких ядер, через 101500 лет практически все сохранившиеся светящиеся звезды должны превратиться в глыбы холодного и остывающего железа, а такие железные звезды могут далее превращаться в последнее поколение нейтронных звезд.
Заключение
Все описанные превращения, являющиеся маленькими шагами к тепловой смерти Вселенной, являются экстраполяцией на основе диаграммы Герцшпрунга-Рассела и не учитывают еще одного гипотетического процесса. Это распад протона, спонтанное превращение протонов в более легкие субатомные частицы. Такой процесс не противоречит известной физике частиц, но также до сих пор не зафиксирован. Именно для того, чтобы засечь распад хотя бы одного протона, в Японии появился проект Камиоканде: шахты близ города Камиока были превращены в огромные резервуары с водой, оборудованные детекторами. Ни один протон во всей этой воде за минувшие сорок лет так и не распался, а Камиоканде в итоге был превращен в один из самых крупных и успешных детекторов нейтрино –, но это уже совсем другая история.
Возможно, именно распадом протонов закончится существование железных звезд, которые при этом просто медленно развоплотятся. Или же на последних этапах существования Вселенная породит какие-то новые состояния вещества. Надеюсь, в этой статье мне удалось не обойти вниманием никаких интересных объектов, существование которых проистекает из диаграммы Герцшпрунга-Рассела, но пока не доказано.
