Как възникват масивните черни дупки?

pixabay.com

Все още не е доказано категорично, но нови изследвания предполагат, че ако звездата не произвежда достатъчно кислород, тя може да се превърне в масивна черна дупка, когато умре.

Въпросът се съсредоточава около един от видовете звезди, наречен звезди на Волф-Райе. Те се раждат масивни, десетки пъти повече от масата на Слънцето, и живеят живота си яростно и бързо. Подобно на Слънцето, те започват да стопяват водород в хелий в ядрата си, но тяхната допълнителна маса наистина притиска ядрото, повишавайки температурата и налягането. Това означава, че синтезът протича с много по-висока скорост от Слънцето. Слънцето е сливало водород в ядрото си от милиарди години, но масивните звезди изчерпват запасите си само за няколко милиона.

След това започват да стопяват хелия във въглерод. Тъй като въглеродът се натрупва в ядрото, могат да се осъществят други реакции, като сливане на хелий и въглерод заедно за образуване на кислород – двата протона в хелиевото ядро ​​се комбинират с шестте във въглерода, за да се получи ядро ​​с осем: кислород.

Тези звезди произвеждат толкова много енергия в ядрата си, че външните слоеве на звездата могат да започнат да се издухват, отнесени от яростния взрив на светлина отдолу. Това се случва късно в живота на звездата, когато й остават само няколкостотин хиляди години. Звездата става невероятно светла, хиляди пъти по-ярка от Слънцето, а вятърът от газ се осветява от фара вътре. Така се превръща в звезда на Волф-Райе.

Има няколко вида звезди на Волф-Райе, в зависимост от химичния състав на атмосферите им. Едната се нарича WC, която има много въглерод в нея, а другата е WO, с много кислород. Винаги се е приемало, че тъй като кислородът се създава по-късно в живота на звездата, WO звездите са по-„еволюирали“ от WC звездите, по-близо до своя неизбежен край.

Но новото проучване показва, че това не е точно така. Разглеждайки няколко WC и WO звезди в Големия Магеланов облак, галактика спътник към нашия Млечен път, учените откриват, че не че WO звездите имат повече кислород — всъщност те имат приблизително същото количество като WC звездите — а, че WO звездите са много по-горещи от WC звездите. Кислородът свети по-добре при тези условия, което го прави по-лесно да се вижда.

По ирония на съдбата обаче техните модели за поведението показват, че звездите от WO наистина са средно по-далеч в живота си от звездите от WC. Още по-странно е, че WO звездите имат повече въглерод от WC звездите! Заедно с това изглежда, че имат по-малко хелий и това накара астрономите да се замислят.

Моделите на това как звездите сливат ядра заедно имат трудности да постигнат правилния баланс със звездите на Волф-Райе. Звездите на WO имат повече въглерод и по-малко кислород, отколкото предвиждат моделите. Защо?

В тези звезди протичат две основни реакции на синтез на хелий. По-горе беше споменато една, която комбинира хелий и въглерод за получаване на кислород. Друга слива три хелиеви ядра заедно, за да образува въглерод. Тази първа реакция намалява както съдържанието на хелий, така и въглерода в звезда, за да образува кислород, но втората произвежда повече въглерод. Тези реакции протичат със скорости, които произвеждат количеството кислород и въглерод, което виждаме в звездите. За да съответстват на наблюденията на WO звездите обаче, моделите трябва да произвеждат повече въглерод и по-малко кислород.

Един от начините да направите това е, ако първата реакция – хелий + въглерод = кислород – е по-бавна, отколкото обикновено се предполага. Това намалява количеството кислород и позволява на другата реакция да произвежда относително повече въглерод. Както се случва, скоростта на сливане на хелий/въглерод не е добре разбрана и лесно може да бъде с 25 – 50% по-малко, отколкото се смята, че е достатъчно, за да обясни звездите на WO.

Забавянето на скоростта на реакцията решава този проблем. Но се оказва, че може да реши и друго.

Когато две черни дупки се сблъскат, те създават гравитационни вълни, вълни в пространство-времето. Те могат да бъдат открити и първите бяха забелязани от детекторите LIGO през 2016 г. С течение на времето бяха открити още десетки и възникна странна ситуация: черните дупки, които бяха забелязани, бяха твърде масивни.

Черните дупки се образуват, когато масивни звезди експлодират и техните ядра се срутват. Това обикновено се случва, когато сливането на кислород създава силиций, а след това сливането на силиций създава желязо. Топенето на желязо всъщност премахва енергията от ядрото, което то трябва да поддържа, така че когато желязото започне да се слива, ядрото се срива и образува черна дупка.

Но не винаги. Над определена основна маса започва да се осъществява сложна физика, при която енергията на кислородния синтез е толкова висока, че гама лъчите, създадени в процеса на синтез, се превръщат в електрони и позитрони: материя и антиматерия. Енергията на излъчваните гама лъчи помага да се поддържа ядрото и ако те изчезнат чрез превръщане в материя/антиматерия, ядрото може да се срути много преди синтезът на желязо да започне. Това причинява титанична експлозия, наречена свръхнова с нестабилност на двойката („двойката“ се отнася до електрони и позитрони). Звездата се разпръсква на парчета и не се образува черна дупка.

Но ние продължаваме да виждаме черни дупки над тази граница на маса! Как може да стане това?

Част от проблема в ядрото е дали има много кислород за стопяване, когато температурата стане достатъчно висока. Това е, което може да причини нестабилност на двойката и да взриви звездата.

Ако скоростта на реакцията, която прави кислорода, е по-бавна, отколкото се смяташе, няма да се създаде толкова много и ядрото става по-стабилно при по-високи маси от първоначално предвидените модели. След това тези звезди могат да продължат да съществуват, вместо да експлодират, когато започне синтез на кислород. Те могат да преминат през нормалните етапи на производство на силиций и след това на желязо, след което да се срутят в черна дупка. Тази черна дупка може да бъде по-масивна, отколкото първоначалните модели предвиждат, обяснявайки действително наблюдаваните черни дупки с по-голяма маса.

Така че по-ниската скорост на производство на кислород обяснява както наблюдаваните звезди на WO Волф-Райе, така и неочаквано черните дупки с голяма маса, открити от LIGO.

Учените харесват, когато едно предположение решава повече от един проблем. Това го прави по-вероятно да е правилно. Това не е доказателство, но му придава по-голяма тежест.

източник: megavselena.bg

Ако тази статия Ви харесва, помогнете ни да я популяризираме чрез бутончетата за споделяне отдолу.

Благодарим Ви! 

Последвайте ни във Facebook