Най-горещият обект във Вселената. Призрак от космоса: Намерен е най-студеният обект във Вселената. Космически термоядрени пещи

Веществото, което е на първо място в този списък, не съществува от почти 15 милиарда години. И на второ място е нашата Земя, по-точно ускорителят на частици край Женева, където през 2012 г. получиха температура, по-висока от каквато Вселената не познава от началото на времето.

В тази статия:

1. Голям взрив

Малко вероятно е този температурен рекорд да бъде счупен; в момента на раждането нашата Вселена е имала температура от около 1032 K, а под думата „момент“ тук имаме предвид не секунда, а Планкова единица време, равна на 5 10-44 секунди. През това буквално неизмеримо кратко време Вселената е била толкова гореща, че нямаме представа по какви закони е съществувала; Дори фундаменталните частици не съществуват при такива енергии.

2. РЕЗЕРВОАР

Второ място в списъка на най-горещите места (или моменти във времето, в случая няма разлика) след Големия взрив е нашата синя планета. През 2012 г. в Големия адронен колайдер физиците сблъскаха тежки йони, ускорени до 99% от скоростта на светлината и за кратък момент получиха температура от 5,5 трилиона Келвина (5 * 1012) (или градуса по Целзий - в такива мащаби е същото нещо).

3. Неутронни звезди

1011 K е температурата вътре в новородена неутронна звезда. Веществото при тази температура изобщо не е подобно на познатите ни форми. Вътрешността на неутронните звезди се състои от кипяща „супа“ от електрони, неутрони и други елементи. Само за няколко минути звездата се охлажда до 10 9 K, а през първите сто години от съществуването си - с порядък.

4. Ядрена експлозия

Температурата вътре в огненото кълбо на ядрена експлозия е около 20 000 K. Това е по-висока от повърхностната температура на повечето звезди от главната последователност.

5. Най-горещите звезди (с изключение на неутронните звезди)

Температурата на повърхността на Слънцето е около шест хиляди градуса, но това не е границата за звездите; Най-горещата звезда, известна днес, WR 102 в съзвездието Стрелец, е нагрята до 210 000 K - десет пъти по-гореща от атомна експлозия. Има сравнително малко такива горещи звезди (около сто от тях са открити в Млечния път и същия брой в други галактики), те са 10-15 пъти по-масивни от Слънцето и много по-ярки от него.

Мъглявина Бумеранг. Изображение от телескоп Хъбъл
Снимка: NASA

Учените отдавна се интересуват от въпроса: колко студено е в космоса? По правило температурата там не е по-ниска от температурата на космическото микровълново фоново лъчение, което прониква в цялата Вселена. Но на места, където звездите умират, температурите могат да паднат много по-ниско. Учените успяха да намерят точно такова място в планетарната мъглявина Бумеранг.

Средните температури на Земята, планета, разположена на повече от 149 милиона километра от Слънцето, остават в рамките на 300 K. Струва си да се отбележи, че планетата все още се нагрява от горещо ядро ​​и освен това, при липса на атмосфера, температурите биха бъде още 50 K по-малко. Колкото по-далеч е даден обект от най-близката звезда, толкова по-студен е той. Например на Плутон средната температура е само 44 К. При такива показатели дори азотът замръзва, което означава, че практически няма да остане нищо от земната атмосфера, тъй като тя съдържа 80 процента азот. Извън Слънчевата система, в междузвездното пространство, е много по-студено.

Около галактиката се носят молекулярни облаци, материята в които има температура приблизително 10-20 K, което е близо до абсолютната нула. В галактиката вече няма по-ниски температури, тъй като останалите й части са затоплени в една или друга степен от звездната радиация.

Но в междугалактичното пространство температурата е дори по-ниска, отколкото в молекулярен облак, който е далеч от източниците на радиация. Галактиките са разделени една от друга с милиони светлинни години празнота и единственото лъчение, достигащо до всички кътчета на космоса, е микровълновото реликтово лъчение, останало от Големия взрив. Благодарение на космическите микровълнови фонови вълни температурата в междугалактическото пространство не пада под 2,73 K. На пръв поглед може да изглежда, че просто не може да бъде по-студено, но всъщност това далеч не е така.

За да бъдем по-точни, теоретично може да бъде по-студено. За да падне температурата на междугалактическото пространство под 2,73 K, е необходимо да се изчака Вселената малко да се разшири. Това разширяване вече се случва - Вселената се разширява със скорост от около 770 километра в секунда за 3,26 милиона светлинни години. В момента възрастта на Вселената достига 13,78 милиарда години, а когато стане два пъти по-стара, космическото микровълново фоново лъчение ще може да поддържа температура от само един градус над абсолютната нула.

И най-неочакваната новина от учените: най-студеното място във Вселената вече може да се намери в този момент, и то не много далеч от Земята - в мъглявината Бумеранг, разположена на разстояние само 5 хиляди светлинни години от нашата планета.

В центъра на тази мъглявина има умираща звезда, която в миналото, подобно на Слънцето, е била жълто джудже. Подобно на други звезди от същия спектрален клас, тя се превърна в червен гигант и се озова в система, възникнала от бяло джудже и предпланетната мъглявина, която се появи около него.

Планетарна мъглявина обикновено се нарича останките от периферните части на червен гигант, изхвърлени от звезда по време на периода, когато центърът й се е свил до размера на бяло джудже. Но преди да се превърне в планетарна мъглявина, червеното джудже за известно време става предпланетна мъглявина. Ако в нея възникнат всички необходими условия, температурата в мъглявината може да падне под най-ниските температури във Вселената. Индийският астроном Равендра Сахай стигна до подобни заключения много по-рано, отколкото екипът му създаде температурна карта на мъглявината Бумеранг и се убеди, че там наистина е много студено.

Мъглявината Бумеранг е най-студеното място във Вселената
Снимка: ESA/NASA

Предпланетна мъглявина се появява, когато температурата в ядрото на звездата се повиши, но в същото време периферната материя едва започва да се отделя. Този процес се осъществява чрез няколко изхвърляния на плазмени потоци, които започват във външния слой на звездната материя. По космически стандарти тези потоци съществуват за много кратко време - само няколко хиляди години. При условие, че плазмата в потока се движи бързо (и точно такъв е случаят в мъглявината Бумеранг), тогава загубата на материя от звездата става с висока скорост. Благодарение на тази огромна скорост в мъглявината се появяват онези области, в които температурата не надвишава 0,5 K, което е значително по-ниско от температурата на всяко друго място във Вселената.

И всичко това, защото топлинната енергия на молекулите се превръща в кинетична енергия на движение, поради което въздухът се охлажда.

Няма намерени свързани връзки

Учените говорят за произхода на Вселената, природата на мистериозната тъмна материя, медицината на 21 век и съществуването на частица, за която светът не знаеше до днес.

В събота в града ни приключи международната конференция Large Hadron Collider Physics (LHCP) 2015, посветена на работата на Large Hadron Collider (LHC) и други звена на международната лаборатория за високи енергии CERN.

На прага на отваряне

Физиците се изказват предпазливо за основния научен резултат от конференцията.

„Има закономерност: всяко ново качество се появява с увеличаване на енергията. И през 1976 г., когато разбрахме, че елементарните частици не са протони, а кварки. И през 2012 г., когато беше открит Хигс бозонът. Сега удвоихме енергията - може би ще открием нещо. „Някои неща вече бяха казани на срещата, но не можем да кажем със сигурност без предварителни резултати“,

– обяснява член-кореспондентът на Руската академия на науките, ръководител на отдела по физика на високите енергии на Института по ядрена физика в Санкт Петербург на Националния изследователски център „Курчатовски институт“ Алексей Воробьов.

Най-вероятно академикът говори за откриването на нови частици, подобни на фотони, но с много голяма маса.

Професорът от Санкт Петербургския държавен университет Александър Андрианов говори по-подробно за тях:

„Едва ли са елементарни. Има техно теория (като клон на „техно“ музиката), която предполага, че векторните бозони се състоят от техно-кварки, които сами по себе си не взаимодействат с нас.“

Има такива частици от 10 на минус 24-та степен на секунди, но тяхното влияние върху съвременната физика е огромно.

Интензификация-2015г

Говорейки за предстоящи открития, професорът предупреждава, че увеличаването на мощността на ускорителя не е единственият начин за постигане на значителни резултати:

„Стремежът към по-големи енергии не винаги е полезен. Тъй като температурата се повишава от тях и ядрената плътност става много малка. Понякога имате нужда от междинно състояние – повече ток и малко по-малко енергия.“

Затова физиците от Санкт Петербург са разработили система, която увеличава интензивността на потока от частици 10 пъти.

„Както всички руски изобретатели - с помощта на просто устройство и изобретателност“,

– смее се Георгий Феофилов, ръководител на лабораторията на Санкт Петербургския държавен университет и ръководител на групата на Санкт Петербургския държавен университет в сътрудничеството ALICE.

Произведено в Русия

Провеждането на събитието в Санкт Петербург отразява приноса на нашите сънародници към международния проект.

„Идеите, донесени от руските учени, нямат аналози“,

– заявява заместник-генералният директор по науката на CERN Серджо Бертолучи.

Професорът във Фрайбургския университет, член на Комитета за европейската стратегия за физика на високите енергии, основател и бивш ръководител на колаборацията ATLAS, Питър Джени, разказва повече за работата на своите колеги:

„Участието на руски институти в проекта започна преди около 20 години, още по това време вашите физици имаха разбиране как да провеждат експерименти в LHC. Някои от тези идеи са реализирани. Това, което нашите руски колеги направиха, работи перфектно.

Така възникналите в Санкт Петербург идеи станаха основа за създаването на колаборацията ALICE, подразделение на CERN, което изучава първичната материя, образувана веднага след Големия взрив.

„Инженерният и научен потенциал на нашия град направи възможно разработването на предложения, които бяха представени на CERN през 1992 г. и се използват и до днес. Сега в Санкт Петербургския държавен университет модернизират детекторите на инсталацията ALICE и в процеса се включиха студенти“, казва Григорий Феофилов.

Почти като футбол

Общо повече от осемстотин физици, инженери и програмисти от Русия работят в CERN. С голямо присъствие могат да се похвалят само три държави - Италия, Германия и Франция, както и САЩ, които не са част от асоциацията.

Но провеждането на конференцията в Санкт Петербург има и друг аспект, политически. Това каза Владимир Шевченко, заместник-директор на Центъра за фундаментални изследвания на Националния изследователски център „Курчатовски институт“:

„Защо обичаме да провеждаме футболни първенства в Русия? Защото организаторите винаги имат някакви предимства. Освен това провеждането на такъв голям форум у нас е напомняне за нас като основен играч. Сила, която има свои интереси.”

Пред нас е портал към един нов свят

„Тези, които казват, че колайдерът е най-горещото място във Вселената, не грешат. Когато ядрата се сблъскват, ускорени почти до скоростта на светлината, материята става нещо много интересно за изследване, признава Григорий Феофилов. „Осигурява ключове за открития в областта на астрофизиката, влияе върху фундаменталната наука – разбирането на стандартния модел и отклоненията от него.“

Температурата по време на експериментите се измерва в трилиони градуси, тоест стотици пъти по-висока от температурата на Слънцето.

Що се отнася до Стандартния модел, постоянен обект на дискусия остава бозонът на Хигс или „Хигс“, както го наричат ​​накратко учените, открит в LHC през 2012 г. Тази елементарна частица потвърди валидността на основната теоретична структура на съвременната физика и в същото време изведе човечеството отвъд стандартния модел, в непознати измерения.

„Важно е да се разбере, че Хигс не е „друга частица“, а представител на нов тип материя с нулев спин. Портал към един нов свят се отваря пред нас; да разберем какво ни очаква отвъд портите е дълга задача за цялата научна общност,"

прогнозира Владимир Шевченко.

Неговите тъмни материали

Има и други прогнози.

„Най-вълнуващото откритие, което ни предстои, трябва да бъде решението на мистерията на тъмната материя. Можем да получим резултата или като увеличим енергията в ускорителя, или като направим по-точни измервания на частиците,"

Питър се надява Йени.

Тъмната материя наистина си остава основната мистерия на нашия век - Вселената е 96% съставена от това вещество, но ние не можем нито да го видим, нито да го регистрираме, а само определяме съществуването му по въздействието му върху видимите 4%. Разбирането какво е тъмна материя вероятно ще промени цялото ни разбиране за реалността. Но дори тези удивителни открития не изчерпват възможностите на ЦЕРН.

„Не знам какво ще ни разкрие природата след това“,

– честно признава заместник-генералният директор по науката на CERN Серджо Бертолучи.

Само за пациенти

Има и по-разбираеми резултати от ускорителя. Именно в CERN възниква адронната терапия - използването на лъчи от заредени частици за целенасочено облъчване на тумори. Ефектът се проявява толкова локално, че не засяга здравата тъкан.

„Това е сливане на високоенергийна физика и най-новите медицински технологии, което дава много висока производителност,“

– отбелязва Григорий Феофилов.

Предвижда се изграждането на два частни протонни центъра в Москва и Санкт Петербург. По-голямото разпространение на адронната медицина в Русия се възпрепятства от несъвършеното законодателство, обяснява Владимир Шевченко: физикът няма право да предоставя медицински услуги, а лекарят не познава физиката на високите енергии.

В очакване на края на света

В очите на обикновения човек експериментите в Големия адронен колайдер най-често се свързват не с големи открития, а с глобална катастрофа.

Преди седем години учени от ЦЕРН дори бяха съдени за опит да организират края на света.

Идеята за обществото е добре изразена от снимка, в която бинтован учен казва на журналист: „С помощта на LHC научихме, че Вселената се е появила в резултат на експлозия.“ Или тениска с четири ръкава, на която пише „Оцелях след изстрелването на адронния колайдер“.

Физиците знаят за подобни шеги и отговарят иронично.

„Ако черна дупка бъде открита в CERN, това ще бъде голямо научно откритие. Вярно, цената му също ще бъде висока – цялото човечество ще изчезне“, казва Алексей Воробьов.

Рано е обаче да се отчайваме. Физиката учи, че малка черна дупка трябва да се изпари, а не да погълне напълно Вселената.

Всичко вече се е случило

Академикът на Руската академия на науките, директор на Обединения институт за ядрени изследвания (ОИЯИ, Дубна) Виктор Матвеев съветва да запазите спокойствие:

„Трудно е за човек, който не се занимава с физика, да си представи мащаба на процесите. Експериментите в лабораторията само повтарят случилото се във Вселената. Всичко, което може да се случи, вече се е случило. Ако имаше катастрофални последици, вие и аз вече нямаше да съществуваме.

От факта, че съществуваме, следва изводът: Големият адронен колайдер не представлява опасност за човечеството. И това доказателство трябва да е разбираемо дори за хора, които са безкрайно далеч от физиката на високите енергии.

Материята на нашата Вселена е структурно организирана и образува голямо разнообразие от явления от различни мащаби с много различни физически свойства. Едно от най-важните от тези свойства е температурата. Познавайки този показател и използвайки теоретични модели, можете да прецените много характеристики на конкретен орган - неговото състояние, структура, възраст.

Разпространението на температурните стойности за различните наблюдаеми компоненти на Вселената е много голямо. По този начин най-ниската му стойност в природата е регистрирана за мъглявината Бумеранг и е само 1 K. Какви са най-високите температури във Вселената, известни днес, и какви характеристики на различни обекти показват те? Първо, нека да разгледаме как учените определят температурата на далечни космически тела.

Спектри и температура

Учените получават цялата информация за далечни звезди, мъглявини и галактики, като изучават тяхното излъчване. Въз основа на честотния диапазон на спектъра, където пада максималното излъчване, температурата се определя като показател за средната кинетична енергия, притежавана от частиците на тялото, тъй като честотата на излъчване е пряко свързана с енергията. Така че най-високата температура във Вселената трябва да отразява, съответно, най-голямата енергия.

Колкото по-високи са честотите, с които се характеризира максималният интензитет на излъчване, толкова по-горещо е изследваното тяло. Пълният спектър на радиация обаче е разпределен в много широк диапазон и от характеристиките на неговата видима област („цвят“) могат да се направят някои общи заключения за температурата, например на звезда. Окончателната оценка се прави въз основа на изследване на целия спектър, като се вземат предвид лентите на излъчване и абсорбция.

Спектрални класове звезди

Въз основа на спектрални характеристики, включително цвят, е разработена така наречената Харвардска класификация на звездите. Той включва седем основни класа, обозначени с буквите O, B, A, F, G, K, M и няколко допълнителни. Класификацията на Харвард отразява повърхностната температура на звездите. Слънцето, чиято фотосфера е нагрята до 5780 K, принадлежи към класа на жълтите G2 звезди. Най-горещите сини звезди са клас О, най-студените са червени звезди и принадлежат към клас М.

Класификацията на Харвард се допълва от класификацията на Йеркс или класификацията на Морган-Кийнан-Келман (IKK - по имената на разработчиците), която разделя звездите на осем класа на светимост от 0 до VII, тясно свързани с масата на звездата - от хипергиганти до бели джуджета. Нашето Слънце е джудже от клас V.

Приложени заедно като оси, по които се нанасят стойностите на цвят - температура и абсолютна стойност - осветеност (указваща маса), те направиха възможно построяването на графика, известна като диаграма на Херцшпрунг-Ръсел, която отразява основните характеристики на звездите в тяхната взаимовръзка.

Най-горещите звезди

Диаграмата показва, че най-горещите са сините гиганти, свръхгигантите и хипергигантите. Те са изключително масивни, светещи и краткотрайни звезди. Термоядрените реакции в техните дълбини протичат много интензивно, генерирайки чудовищна яркост и изключително високи температури. Такива звезди принадлежат към класове B и O или към специален клас W (отличаващ се с широки емисионни линии в спектъра).

Например Eta Ursa Major (намира се в „края на дръжката“ на кофата), с маса 6 пъти по-голяма от Слънцето, свети 700 пъти по-силно и има повърхностна температура от около 22 000 K. Zeta Orionis - звезда Алнитак - която е 28 пъти по-масивна от Слънцето пъти, външните слоеве се нагряват до 33 500 K. И температурата на хипергиганта с най-високата известна маса и светимост (най-малко 8,7 милиона пъти по-мощен от нашето Слънце) - R136a1 в Големия магеланов облак - оценява се на 53 000 K.

Фотосферите на звездите обаче, колкото и горещи да са те, няма да ни дадат представа за най-високата температура във Вселената. В търсене на по-горещи региони трябва да надникнем във вътрешността на звездите.

Космически термоядрени пещи

В ядрата на масивни звезди, притиснати от колосално налягане, се развиват наистина високи температури, достатъчни за нуклеосинтеза на елементи до желязо и никел. Така изчисленията за сини гиганти, свръхгиганти и много редки хипергиганти дават за този параметър до края на живота на звездата порядък от 10 9 K - милиард градуса.

Структурата и еволюцията на такива обекти все още не са достатъчно добре проучени и съответно техните модели все още са далеч от завършеност. Ясно е обаче, че всички звезди с големи маси, независимо към какви спектрални класове принадлежат, например червени свръхгиганти, трябва да имат много горещи ядра. Въпреки несъмнените различия в процесите, протичащи в недрата на звездите, основният параметър, определящ температурата на ядрото, е масата.

Звездни остатъци

В общия случай съдбата на една звезда - как ще завърши жизнения си път - зависи от нейната маса. Звезди с ниска маса като Слънцето, след като са изчерпали запасите си от водород, губят външните си слоеве, след което това, което остава от звездата, е дегенерирало ядро, в което вече не може да се случи термоядрен синтез - бяло джудже. Външният тънък слой на младо бяло джудже обикновено има температура до 200 000 K, а по-дълбоко се намира изотермично ядро, нагрято до десетки милиони градуси. По-нататъшната еволюция на джуджето се състои в постепенното му охлаждане.

Гигантските звезди са изправени пред различна съдба - експлозия на свръхнова, придружена от повишаване на температурата до стойности от порядъка на 10 11 K. По време на експлозията става възможна нуклеосинтезата на тежки елементи. Един от резултатите от това явление е неутронна звезда – много компактен, свръхплътен, със сложна структура остатък от мъртва звезда. При раждането си то е също толкова горещо - до стотици милиарди градуси, но бързо се охлажда поради интензивното неутрино излъчване. Но, както ще видим по-късно, дори новородената неутронна звезда не е мястото, където температурата е най-висока във Вселената.

Далечни екзотични предмети

Има клас космически обекти, които са доста отдалечени (и следователно древни), характеризиращи се с напълно екстремни температури. Според съвременните възгледи квазарът е устройство с мощен акреционен диск, образуван от спираловидно падащо върху него вещество - газ или по-точно плазма. Всъщност това е активно галактическо ядро ​​в етап на формиране.

Скоростта на движение на плазмата в диска е толкова висока, че поради триенето тя се нагрява до свръхвисоки температури. Магнитните полета събират радиация и част от материята на диска в два полярни лъча - джетове, изхвърлени от квазара в космоса. Това е изключително високоенергиен процес. Светимостта на квазара е средно с шест порядъка по-висока от яркостта на най-мощната звезда R136a1.

Теоретичните модели допускат за квазарите ефективна температура (тоест, присъща на напълно черно тяло, излъчващо със същата яркост) от не повече от 500 милиарда градуса (5 × 10 11 K). Въпреки това, последните изследвания на близкия квазар 3C 273 доведоха до неочакван резултат: от 2 × 10 13 до 4 × 10 13 K - десетки трилиони келвини. Тази стойност е сравнима с температурите, постигнати при най-високите известни събития с освобождаване на енергия, изблици на гама лъчи. Към днешна дата това е най-високата температура във Вселената, регистрирана някога.

Най-горещ от всички

Трябва да се има предвид, че виждаме квазар 3C 273 такъв, какъвто е бил преди около 2,5 милиарда години. И така, като се има предвид, че колкото по-далеч се вглеждаме в космоса, толкова по-далечни епохи от миналото наблюдаваме, в търсене на най-горещия обект имаме право да оглеждаме Вселената не само в пространството, но и във времето.

Ако се върнем към самия момент на нейното зараждане - преди приблизително 13,77 милиарда години, което е невъзможно да се наблюдава - ще открием една напълно екзотична Вселена, при описанието на която космологията се доближава до границата на своите теоретични възможности, свързани с границите на приложимостта на съвременните физични теории.

Описанието на Вселената става възможно, като се започне от възраст, съответстваща на времето на Планк от 10 -43 секунди. Най-горещият обект в тази ера е самата Вселена с температура на Планк от 1,4 × 10 32 K. И това, според съвременния модел на нейното раждане и еволюция, е максималната температура във Вселената, която някога е била достигана и възможна .

Малко вероятно е този температурен рекорд да бъде счупен; в момента на раждането нашата Вселена е имала температура от около 10 32 K, а под думата „момент” тук имаме предвид не секунда, а Планкова единица време, равна на 5 10 -44 секунди. През това буквално неизмеримо кратко време Вселената е била толкова гореща, че нямаме представа по какви закони е съществувала; Дори фундаменталните частици не съществуват при такива енергии.

2. РЕЗЕРВОАР

Второ място в списъка на най-горещите места (или моменти във времето, в случая няма разлика) след Големия взрив е нашата синя планета. През 2012 г. в Големия адронен колайдер физиците сблъскаха тежки йони, ускорени до 99% от скоростта на светлината и за кратък момент получиха температура от 5,5 трилиона Келвина (5 * 10 12) (или градуса по Целзий - в такива мащаби това е същото нещо).

3. Неутронни звезди

10 11 К - това е температурата вътре в новородена неутронна звезда. Веществото при тази температура изобщо не е подобно на познатите ни форми. Вътрешността на неутронните звезди се състои от кипяща „супа“ от електрони, неутрони и други елементи. Само за няколко минути звездата се охлажда до 10 9 K, а през първите сто години от съществуването си - с порядък.

4. Ядрена експлозия

Температурата вътре в огненото кълбо на ядрена експлозия е около 20 000 K. Това е по-висока от повърхностната температура на повечето звезди от главната последователност.

5. Най-горещите звезди (с изключение на неутронните звезди)

Температурата на повърхността на Слънцето е около шест хиляди градуса, но това не е границата за звездите; Най-горещата звезда, известна днес, WR 102 в съзвездието Стрелец, е нагрята до 210 000 K - десет пъти по-гореща от атомна експлозия. Има сравнително малко такива горещи звезди (около сто от тях са открити в Млечния път и същия брой в други галактики), те са 10-15 пъти по-масивни от Слънцето и много по-ярки от него.