Gwiazdy fascynowały ludzi od niepamiętnych czasów. Dzięki współczesnej nauce wiemy całkiem sporo o gwiazdach, o ich różnych typach i strukturach. Wiedza na ten temat jest stale aktualizowana i udoskonalana; astrofizycy spekulują na temat wielu teoretycznych gwiazd, które mogą istnieć w naszym wszechświecie. Oprócz gwiazd teoretycznych istnieją również obiekty podobne do gwiazd, struktury astronomiczne, które wyglądają i zachowują się jak gwiazdy, ale nie mają standardowych cech, które opisujemy jako gwiazdy. Obiekty na tej liście znajdują się na progu badań fizycznych i nie były bezpośrednio obserwowane … jeszcze.
Gwiazda kwarkowa
Pod koniec swojego życia gwiazda może zapaść się w czarną dziurę, białego karła lub gwiazdę neutronową. Jeśli gwiazda jest wystarczająco gęsta, zanim stanie się supernową, pozostałości gwiazdy utworzą gwiazdę neutronową. Kiedy tak się dzieje, gwiazda staje się niezwykle gorąca i gęsta. Mając taką materię i energię, gwiazda próbuje zapaść się w siebie i utworzyć osobliwość, ale cząsteczki fermionowe w centrum (w tym przypadku neutrony) podlegają zasadzie Pauliego. Według niego neutrony nie mogą zostać skompresowane do tego samego stanu kwantowego, więc są odpychane od zapadającej się materii, osiągając równowagę.
Od dziesięcioleci astronomowie zakładali, że gwiazda neutronowa pozostanie w równowadze. Jednak w miarę rozwoju teorii kwantowej astrofizycy zaproponowali nowy typ gwiazdy, która mogłaby się pojawić, gdyby ustało degeneracyjne ciśnienie rdzenia neutronu. Nazywa się gwiazdą kwarkową. Wraz ze wzrostem ciśnienia masy gwiazdy neutrony rozpadają się na ich składniki, w górę iw dół kwarki, które pod wysokim ciśnieniem i dużą energią mogą istnieć w stanie wolnym, zamiast wytwarzać hadrony, takie jak protony i neutrony. Nazywana „materią dziwną” ta zupa kwarkowa byłaby niewiarygodnie gęsta, gęstsza niż zwykła gwiazda neutronowa.
Astrofizycy wciąż debatują, jak dokładnie mogły powstać te gwiazdy. Według niektórych teorii pojawiają się one, gdy masa zapadającej się gwiazdy mieści się w przedziale masy potrzebnej do utworzenia czarnej dziury lub gwiazdy neutronowej. Inni sugerują bardziej egzotyczne mechanizmy. Wiodąca teoria głosi, że gwiazdy kwarkowe powstają, gdy gęste paczki wcześniej istniejącej materii dziwnej owiniętej w słabo oddziałujące cząstki (WIMP) zderzają się z gwiazdą neutronową, zaszczepiając jej jądro materią dziwną i inicjując transformację. Jeśli tak się stanie, gwiazda neutronowa zachowa „skorupę” materii gwiazdy neutronowej, skutecznie zachowując wygląd gwiazdy neutronowej, ale jednocześnie posiadając rdzeń z dziwnej materii. Chociaż nie znaleźliśmy jeszcze żadnych kwarków,wiele z obserwowanych gwiazd neutronowych może być potajemnie.
Film promocyjny:
Gwiazdy elektrosłabe
Podczas gdy gwiazda kwark może być ostatnim etapem życia gwiazdy, zanim umrze i stanie się czarną dziurą, fizycy zaproponowali ostatnio inną teoretyczną gwiazdę, która może istnieć między gwiazdą kwarkową a czarną dziurą. Tak zwana gwiazda elektrosłaba może utrzymywać równowagę dzięki złożonemu oddziaływaniu między słabą siłą jądrową a siłą elektromagnetyczną znaną jako siła elektrosłaba.
W przypadku gwiazdy elektrosłabej ciśnienie i energia z masy gwiazdy naciskałyby na rdzeń materii dziwnej gwiazdy kwarkowej. Wraz ze wzrostem energii, elektromagnetyczne i słabe siły jądrowe będą się mieszać, tak że nie będzie różnicy między tymi dwiema siłami. Na tym poziomie energii kwarki w jądrze rozpuszczają się w leptonach, podobnie jak elektrony i neutrina. Większość dziwnej materii zamieni się w neutrina, a uwolniona energia zapewni wystarczającą siłę, aby zapobiec zapadnięciu się gwiazdy.
Naukowcy są zainteresowani znalezieniem elektrosłabej gwiazdy, ponieważ właściwości jej jądra byłyby identyczne z właściwościami młodego Wszechświata jednej miliardowej sekundy po Wielkim Wybuchu. W tamtym momencie w historii naszego wszechświata nie było rozróżnienia między słabą siłą jądrową a siłą elektromagnetyczną. Okazało się, że sformułowanie teorii na ten temat było dość trudne, więc odkrycie w postaci elektrosłabej gwiazdy znacząco pomogłoby w badaniach kosmologicznych.
Gwiazda elektrosłaba musi być również jednym z najgęstszych obiektów we wszechświecie. Jądro elektrosłabej gwiazdy miałoby wielkość jabłka, ale masę stanowiło około dwóch Ziem, co teoretycznie czyniło taką gwiazdę gęstszą niż jakakolwiek wcześniej obserwowana gwiazda.
Obiekt Thorn - Zhitkova
W 1977 roku Kip Thorne i Anna Zhitkova opublikowali artykuł opisujący szczegółowo nowy typ gwiazdy zwany Obiektem Thorn-Zhitkova (OTZ). OTZ jest gwiazdą hybrydową powstałą w wyniku zderzenia czerwonego nadolbrzyma i małej, gęstej gwiazdy neutronowej. Ponieważ czerwony nadolbrzym jest niesamowicie dużą gwiazdą, miną setki lat, zanim gwiazda neutronowa po prostu najpierw przebije się przez wewnętrzną atmosferę. Gdy zagłębia się w gwiazdę, środek orbity (środek bariery) dwóch gwiazd przesunie się w kierunku środka nadolbrzyma. Ostatecznie obie gwiazdy połączą się, tworząc dużą supernową i ostatecznie czarną dziurę.
Obserwowany OTZ początkowo przypominałby typowego czerwonego nadolbrzyma. Niemniej jednak OTZ miałby szereg niezwykłych właściwości jak na czerwonego nadolbrzyma. Nie tylko jego skład chemiczny będzie się różnić, ale zagrzebująca się w nim gwiazda neutronowa będzie emitować rozbłyski radiowe od wewnątrz. Znalezienie OTL jest raczej trudne, ponieważ nie różni się zbytnio od zwykłego czerwonego nadolbrzyma. Ponadto OTZ powstaje raczej nie w naszym galaktycznym otoczeniu, ale bliżej centrum Drogi Mlecznej, gdzie gwiazdy są ściślej upakowane.
Nie przeszkodziło to jednak astronomom w poszukiwaniu gwiazdy kanibala, aw 2014 roku ogłoszono, że nadolbrzym HV 2112 może być możliwym OTZ. Naukowcy odkryli, że HV 2112 zawiera niezwykle dużą ilość pierwiastków metalicznych jak na czerwone nadolbrzymy. Skład chemiczny HV 2112 odpowiada temu, co sugerowali Thorne i Zhitkova w latach siedemdziesiątych XX wieku, więc astronomowie uważają tę gwiazdę za potężnego kandydata do pierwszego obserwowanego OTG. Potrzebne są dalsze badania, ale fajnie byłoby pomyśleć, że ludzkość odkryła pierwszą gwiazdę kanibala.
Zamarznięta gwiazda
Zwykła gwiazda spala paliwo wodorowe, tworząc hel i podtrzymując się ciśnieniem z wewnątrz, zrodzonym w tym procesie. Ale pewnego dnia wodór się wyczerpie i ostatecznie gwiazda będzie musiała spalić cięższe pierwiastki. Niestety, energia uciekająca z tych ciężkich pierwiastków nie jest tak duża, jak z wodoru, a gwiazda zaczyna się ochładzać. Kiedy gwiazda przechodzi w stan supernowej, zasiewa wszechświat metalicznymi pierwiastkami, które następnie uczestniczą w tworzeniu nowych gwiazd i planet. W miarę dojrzewania wszechświata eksploduje coraz więcej gwiazd. Astrofizycy wykazali, że wraz ze starzeniem się Wszechświata wzrasta również jego całkowita zawartość metali.
W przeszłości w gwiazdach praktycznie nie było metalu, ale w przyszłości ich zawartość będzie znacznie większa. W miarę starzenia się wszechświata będą powstawać nowe i niezwykłe typy metalicznych gwiazd, w tym hipotetyczne zamarznięte gwiazdy. Ten typ gwiazdy został zaproponowany w latach 90. W związku z obfitością metali we Wszechświecie, nowo powstałe gwiazdy będą potrzebowały niższych temperatur, aby stać się gwiazdami ciągu głównego. Najmniejsze gwiazdy o masie 0,04 gwiazdy (rzędu masy Jowisza) mogą stać się gwiazdami ciągu głównego, utrzymując fuzję jądrową w temperaturze 0 stopni Celsjusza. Zostaną zamrożone i otoczone chmurami zamarzniętego lodu. W odległej przyszłości te zamarznięte gwiazdy zastąpią większość zwykłych gwiazd w zimnym i ponurym wszechświecie.
Magnetosferycznie wiecznie zapadający się obiekt
Wszyscy są już przyzwyczajeni do tego, że z czarnymi dziurami wiąże się wiele niezrozumiałych właściwości i paradoksów. Aby jakoś poradzić sobie z problemami nieodłącznie związanymi z matematyką czarnych dziur, teoretycy postawili hipotezę dotyczącą całego szeregu obiektów w kształcie gwiazdy. W 2003 roku naukowcy stwierdzili, że czarne dziury nie są w rzeczywistości osobliwościami, jak się zwykło wierzyć, ale są egzotycznym typem gwiazd zwanym „magnetosferycznie wiecznie zapadającym się obiektem” (MVCO, MECO). Model MVCO jest próbą rozwiązania problemu teoretycznego: sprawa zapadającej się czarnej dziury wydaje się poruszać szybciej niż prędkość światła.
MVCO tworzy się jak zwykła czarna dziura. Grawitacja przewyższa materię, a materia zaczyna się zapadać. Ale w MVCO promieniowanie powstające w wyniku zderzenia cząstek wytwarza wewnętrzne ciśnienie podobne do ciśnienia generowanego w procesie syntezy jądrowej w rdzeniu gwiazdy. Dzięki temu MVCO pozostaje absolutnie stabilne. Nigdy nie tworzy horyzontu zdarzeń i nigdy nie zapada się całkowicie. Czarne dziury ostatecznie zapadną się w siebie i wyparują, ale załamanie się MVCO zajmie nieskończoną ilość czasu. W ten sposób znajduje się w stanie wiecznego upadku.
Teorie MVCO rozwiązują wiele problemów związanych z czarnymi dziurami, w tym problem informacyjny. Ponieważ MVCO nigdy się nie załamuje, nie ma problemu zniszczenia informacji, jak w przypadku czarnej dziury. Jednak bez względu na to, jak wspaniałe są teorie MVKO, społeczność fizyków wita je z wielkim sceptycyzmem. Uważa się, że kwazary to czarne dziury otoczone świecącym dyskiem akrecyjnym. Astronomowie mają nadzieję znaleźć kwazar z dokładnymi właściwościami magnetycznymi MVCO. Jak dotąd żadnego nie znaleziono, ale być może nowe teleskopy, które będą badać czarne dziury, rzucą światło na tę teorię. W międzyczasie MVKO pozostaje ciekawym rozwiązaniem problemów czarnych dziur, ale daleko mu do czołowego kandydata.
Gwiazdy populacji III
Omówiliśmy już zamarznięte gwiazdy, które pojawią się pod koniec wszechświata, kiedy wszystko stanie się zbyt metaliczne, aby mogły powstać gorące gwiazdy. Ale co z gwiazdami na drugim końcu spektrum? Gwiazdy te, powstałe z pierwotnych gazów pozostałych po Wielkim Wybuchu, nazywane są gwiazdami Populacji III. Diagram populacji gwiazd został wprowadzony przez Waltora Baade'a w latach czterdziestych XX wieku i opisał zawartość metalu w gwiazdach. Im starsza populacja, tym wyższa zawartość metalu. Przez długi czas istniały tylko dwie populacje gwiazd (o logicznej nazwie populacja I i populacja II), ale współcześni astrofizycy rozpoczęli poważne poszukiwania gwiazd, które powinny istnieć zaraz po Wielkim Wybuchu.
W tych gwiazdach nie było ciężkich pierwiastków. Składały się całkowicie z wodoru i helu z domieszką litu. Gwiazdy populacji III były absurdalnie jasne i ogromne, większe niż wiele współczesnych gwiazd. Ich stocznie nie tylko syntetyzowały wspólne pierwiastki, ale były napędzane reakcjami anihilacji ciemnej materii. Żyli też bardzo mało, zaledwie kilka milionów lat. Ostatecznie całe paliwo wodorowe i helowe tych gwiazd wypaliło się, użyli pierwiastków metali ciężkich do fuzji i eksplodowali, rozpraszając ciężkie pierwiastki po całym wszechświecie. W młodym wszechświecie nic nie przetrwało.
Ale jeśli nic nie przetrwało, dlaczego mielibyśmy o tym myśleć? Astronomowie są bardzo zainteresowani gwiazdami z populacji III, ponieważ pozwolą nam lepiej zrozumieć, co wydarzyło się podczas Wielkiego Wybuchu i jak rozwinął się młody wszechświat. A prędkość światła pomoże w tym astronomom. Biorąc pod uwagę stałą wielkość prędkości światła, jeśli astronomowie mogą znaleźć niezwykle odległą gwiazdę, zasadniczo spojrzą w przeszłość. Grupa astronomów z Instytutu Astrofizyki i Nauk o Kosmosie próbuje zobaczyć galaktyki najbardziej oddalone od Ziemi, które próbowaliśmy zobaczyć. Światło tych galaktyk powinno było pojawić się kilka milionów po Wielkim Wybuchu i mogło zawierać światło gwiazd z populacji III. Badanie tych gwiazd pozwoli astronomom spojrzeć w przeszłość. Ponadto badanie gwiazd z populacji III pokaże nam również, skąd pochodzimy. Gwiazdy te były jednymi z pierwszych, które zasiały Wszechświat pierwiastkami dającymi życie i niezbędnymi do egzystencji człowieka.
Quasi gwiazda
Nie mylić z kwazarem (obiektem, który wygląda jak gwiazda, ale nią nie jest), quasi-gwiazda to teoretyczny typ gwiazdy, który może istnieć tylko w młodym wszechświecie. Podobnie jak OTZ, o którym mówiliśmy powyżej, quasi-gwiazda miała być gwiazdą kanibala, ale zamiast ukrywać inną gwiazdę w środku, ukrywa czarną dziurę. Quasi gwiazdy powinny powstać z masywnych gwiazd populacji III. Kiedy zwykłe gwiazdy zapadają się, przechodzą w supernową i zostawiają czarną dziurę. W quasi-gwiazdach gęsta zewnętrzna warstwa materiału jądrowego pochłonęłaby całą energię uciekającą z zapadającego się jądra, pozostała na miejscu i nie stałaby się supernową. Zewnętrzna powłoka gwiazdy pozostałaby nienaruszona, podczas gdy powłoka wewnętrzna utworzyłaby czarną dziurę.
Podobnie jak współczesna gwiazda fuzyjna, quasi-gwiazda osiągnęłaby równowagę, chociaż byłaby wspierana przez coś więcej niż tylko energię fuzyjną. Energia wypromieniowana z jądra, czarnej dziury, zapewniłaby ciśnienie, aby oprzeć się kolapsowi grawitacyjnemu. Quasi-gwiazda żywiłaby się materią wpadającą do wewnętrznej czarnej dziury i uwalniając energię. Z powodu tej potężnej emitowanej energii quasi-gwiazda byłaby niewiarygodnie jasna i 7000 razy masywniejsza niż Słońce.
Ostatecznie jednak quasi-gwiazda straciłaby swoją zewnętrzną powłokę po około milionie lat, pozostawiając jedynie masywną czarną dziurę. Astrofizycy sugerowali, że starożytne quasi-gwiazdy były źródłem supermasywnych czarnych dziur w centrach większości galaktyk, w tym naszej. Droga Mleczna mogła zacząć się od jednej z tych egzotycznych i niezwykłych starożytnych gwiazd.
Gwiazda Preon
Filozofowie od stuleci spierają się o jak najmniejszy podział materii. Obserwując protony, neutrony i elektrony, naukowcy myśleli, że odkryli podstawową strukturę wszechświata. Jednak wraz z postępem nauki znaleziono coraz mniej cząstek, a nasza koncepcja wszechświata musiała zostać zmieniona. Hipotetycznie podział ten mógłby trwać wiecznie, ale niektórzy teoretycy uważają preony za najmniejsze cząsteczki natury. Preon jest cząstką punktową, która nie ma ekspansji przestrzennej. Fizycy często opisują elektrony jako cząstki punktowe, ale jest to tradycyjny model. Elektrony faktycznie mają ekspansję. Teoretycznie preon go nie ma. Mogą to być najbardziej podstawowe cząstki subatomowe.
Chociaż badania preon wyszły obecnie z mody, nie przeszkadza to naukowcom dyskutować o tym, jak mogą wyglądać gwiazdy przedonowe. Gwiazdy preon byłyby bardzo małe, wielkości między groszkiem a piłką nożną. Masa zapakowana w tę niewielką objętość byłaby równa masie Księżyca. Gwiazdy Preona byłyby lekkie jak na standardy astronomiczne, ale znacznie gęstsze niż gwiazdy neutronowe, najgęstsze obserwowane obiekty.
Te maleńkie gwiazdy byłyby bardzo trudne do zobaczenia dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu i promieniom gamma. Ze względu na ich niepozorny charakter, niektórzy teoretycy uważają, że proponowane gwiazdy przedwczesne są kandydatami do ciemnej materii. A jednak naukowcy zajmujący się akceleratorami cząstek zajmują się głównie bozonem Higgsa, a nie szukaniem preonów, więc ich istnienie zostanie potwierdzone bardzo szybko lub nie.
Gwiazda Plancka
Jedno z największych pytań dotyczących czarnych dziur brzmi: jak wyglądają od wewnątrz? Na ten temat opublikowano niezliczone książki, filmy i artykuły, od fantastycznych spekulacji po najtrudniejsze i najbardziej dokładne nauki. I nie ma jeszcze konsensusu. Często środek czarnej dziury jest opisywany jako osobliwość o nieskończonej gęstości i bez wymiarów przestrzennych, ale co to naprawdę oznacza? Współcześni teoretycy próbują obejść ten niejasny opis i dowiedzieć się, co tak naprawdę dzieje się w czarnej dziurze. Ze wszystkich teorii jedną z najbardziej interesujących jest założenie, że w centrum czarnej dziury znajduje się gwiazda zwana gwiazdą Plancka.
Proponowana gwiazda Plancka została pierwotnie pomyślana, aby rozwiązać paradoks informacji o czarnej dziurze. Jeśli uznamy czarną dziurę za punkt osobliwości, ma to nieprzyjemny efekt uboczny: informacja zostanie zniszczona, przenikając do czarnej dziury, naruszając prawa zachowania. Jeśli jednak w centrum czarnej dziury znajduje się gwiazda, rozwiąże to problem i pomoże również w kwestiach dotyczących horyzontu zdarzeń czarnej dziury.
Jak można się domyślić, gwiazda Plancka to dziwna rzecz, która jednak jest wspierana przez konwencjonalną syntezę jądrową. Jej nazwa pochodzi od tego, że taka gwiazda będzie miała gęstość energii bliską gęstości Plancka. Gęstość energii jest miarą energii zawartej w obszarze przestrzeni, a gęstość Plancka to ogromna liczba: 5,15 x 10 ^ 96 kilogramów na metr sześcienny. To dużo energii. Teoretycznie tyle energii może znajdować się we Wszechświecie zaraz po Wielkim Wybuchu. Niestety nigdy nie zobaczymy gwiazdy Plancka, jeśli znajduje się ona wewnątrz czarnej dziury, ale to założenie pozwala nam rozwiązać szereg astronomicznych paradoksów.
Puszysta piłka
Fizycy uwielbiają wymyślać zabawne nazwy dla złożonych pomysłów. Fluffy Ball to najsłodsza nazwa śmiercionośnego obszaru kosmosu, który może cię natychmiast zabić. Teoria puszystej kuli wywodzi się z próby opisania czarnej dziury za pomocą koncepcji teorii strun. Zasadniczo puszysta kula nie jest prawdziwą gwiazdą w tym sensie, że nie jest miazmą ognistej plazmy napędzanej przez fuzję. Jest to raczej obszar splątanych strun energii podtrzymywanych przez ich własną energię wewnętrzną.
Jak wspomniano powyżej, głównym problemem związanym z czarnymi dziurami było ustalenie, co się w nich znajduje. Ten głęboki problem jest zarówno zagadką eksperymentalną, jak i teoretyczną. Teorie standardowych czarnych dziur prowadzą do wielu sprzeczności. Stephen Hawking wykazał, że czarne dziury wyparowują, co oznacza, że wszelkie zawarte w nich informacje zostaną utracone na zawsze. Modele czarnych dziur pokazują, że ich powierzchnia jest wysokoenergetyczną „zaporą ogniową”, która odparowuje nadchodzące cząstki. Co najważniejsze, teorie mechaniki kwantowej nie działają, gdy zostaną zastosowane do osobliwości czarnej dziury.
Puszysta piłka rozwiązuje te problemy. Aby zrozumieć, czym jest puszysta kulka, wyobraź sobie, że żyjemy w dwuwymiarowym świecie, jak na kartce papieru. Jeśli ktoś umieści cylinder na papierze, będziemy postrzegać go jako dwuwymiarowy okrąg, nawet jeśli ten obiekt faktycznie istnieje w trzech wymiarach. Możemy sobie wyobrazić, że w naszym wszechświecie istnieją aroganckie struktury; w teorii strun nazywa się je branami. Gdyby istniały wielowymiarowe brany, postrzegalibyśmy je tylko za pomocą naszych zmysłów 4D i matematyki. Teoretycy strun sugerują, że to, co nazywamy czarną dziurą, jest w rzeczywistości naszym niskowymiarowym postrzeganiem wielowymiarowej struktury strun przecinającej naszą czterowymiarową czasoprzestrzeń. Wtedy czarna dziura nie będzie osobliwością; będzie to tylko przecięcie naszej czasoprzestrzeni z wielowymiarowymi strunami. To skrzyżowanie to puszysta kula.
Wszystko to wydaje się ezoteryczne i rodzi wiele pytań. Jeśli jednak czarne dziury są w rzeczywistości puszystymi splotami, rozwiążą one wiele paradoksów. Będą również miały nieco inne cechy niż czarne dziury. Zamiast jednowymiarowej osobliwości puszysta kula ma określoną objętość. Ale pomimo pewnej objętości nie ma dokładnego horyzontu zdarzeń, jego granice są „puszyste”. Umożliwia także fizykom opisanie czarnej dziury przy użyciu zasad mechaniki kwantowej. W każdym razie puszysta piłka to zabawne imię, które osłabia nasz ścisły naukowy język.
Na podstawie materiałów z listverse.com
Ilya Khel