Самый горячий объект во вселенной. Пять самых горячих мест во вселенной. Самые горячие звезды

Вещество нашей Вселенной структурно организовано и образует большое многообразие феноменов различного масштаба с весьма сильно разнящимися физическими свойствами. Одно из важнейших таких свойств - температура. Зная этот показатель и используя теоретические модели, можно судить о многих характеристиках того или иного тела - о его состоянии, строении, возрасте.

Разброс значений температуры у различных наблюдаемых компонентов Вселенной весьма велик. Так, самая низкая величина ее в природе зафиксирована для туманности Бумеранг и составляет всего 1 K. А каковы самые высокие температуры во Вселенной, известные на сегодняшний день, и о каких особенностях различных объектов свидетельствуют? Для начала посмотрим, как же ученые определяют температуру удаленных космических тел.

Спектры и температура

Всю информацию о далеких звездах, туманностях, галактиках ученые получают, исследуя их излучение. По тому, на какой частотный диапазон спектра приходится максимум излучения, определяется температура как показатель средней кинетической энергии, которой обладают частицы тела, - ведь частота излучения связана прямой зависимостью с энергией. Так что самая высокая температура во Вселенной должна отражать, соответственно, и наибольшую энергию.

Чем более высокими частотами характеризуется максимум интенсивности излучения, тем горячее исследуемое тело. Однако полный спектр излучения распределен по очень широкому диапазону, и по особенностям видимой его области («цвету») можно делать определенные общие выводы о температуре, например, звезды. Окончательная же оценка производится на основе изучения всего спектра с учетом полос эмиссии и поглощения.

Спектральные классы звезд

На основе спектральных особенностей, включая цвет, была разработана так называемая Гарвардская классификация звезд. Она включает семь основных классов, обозначаемых буквами O, B, A, F, G, K, M и несколько дополнительных. Гарвардская классификация отражает поверхностную температуру звезд. Солнце, фотосфера которого разогрета до 5780 K, относится к классу желтых звезд G2. Наиболее горячи голубые звезды класса O, самые холодные - красные - принадлежат классу M.

Гарвардскую классификацию дополняет Йеркская, или классификация Моргана-Кинана-Келлман (МКК - по фамилиям разработчиков), подразделяющая звезды на восемь классов светимости от 0 до VII, тесно связанных с массой светила - от гипергигантов до белых карликов. Наше Солнце - карлик класса V.

Примененные совместно, в качестве осей, по которым отложены значения цвет - температура и абсолютная величина - светимость (свидетельствующая о массе), они дали возможность построить график, широко известный как диаграмма Герцшпрунга-Рассела, на котором отражены главные характеристики звезд в их взаимосвязи.

Самые горячие звезды

Из диаграммы явствует, что наиболее горячими являются голубые гиганты, сверхгиганты и гипергиганты. Это чрезвычайно массивные, яркие и короткоживущие звезды. Термоядерные реакции в их недрах протекают очень интенсивно, порождая чудовищную светимость и высочайшие температуры. Такие звезды относятся к классам B и O либо к особому классу W (отличается широкими эмиссионными линиями в спектре).

Например, Эта Большой Медведицы (находится на «конце ручки» ковша) при массе, в 6 раз превышающей солнечную, светит в 700 раз мощнее и имеет поверхностную температуру около 22 000 K. У Дзеты Ориона - звезды Альнитак, - которая массивнее Солнца в 28 раз, внешние слои нагреты до 33 500 K. А температура гипергиганта с наивысшей известной массой и светимостью (как минимум в 8,7 миллионов раз мощнее нашего Солнца) - R136a1 в Большом Магеллановом облаке - оценена в 53 000 K.

Однако фотосферы звезд, как бы сильно разогреты они ни были, не дадут нам представления о самой высокой температуре во Вселенной. В поисках более жарких областей нужно заглянуть в недра звезд.

Термоядерные топки космоса

В ядрах массивных звезд, стиснутых колоссальным давлением, развиваются действительно высокие температуры, достаточные для нуклеосинтеза элементов вплоть до железа и никеля. Так, расчеты для голубых гигантов, сверхгигантов и очень редких гипергигантов дают для этого параметра к концу жизни звезды порядок величины 10 9 K - миллиард градусов.

Строение и эволюция подобных объектов пока еще недостаточно хорошо изучены, соответственно и модели их еще далеко не полны. Ясно, однако, что очень горячими ядрами должны обладать все звезды больших масс, к каким бы спектральным классам они ни принадлежали, - например, красные сверхгиганты. Несмотря на несомненные различия в процессах, протекающих в недрах звезд, ключевым параметром, определяющим температуру ядра, является масса.

Звездные остатки

От массы в общем случае зависит и судьба звезды - то, как она окончит свой жизненный путь. Маломассивные звезды типа Солнца, исчерпав запас водорода, теряют внешние слои, после чего от светила остается вырожденное ядро, в котором уже не может идти термоядерный синтез, - белый карлик. Наружный тонкий слой молодого белого карлика обычно имеет температуру до 200 000 K, а глубже располагается изотермическое ядро, нагретое до десятков миллионов градусов. Дальнейшая эволюция карлика заключается к его постепенному остыванию.

Гигантские звезды ждет иная судьба - взрыв сверхновой, сопровождающийся повышением температуры уже до значений порядка 10 11 K. В ходе взрыва становится возможен нуклеосинтез тяжелых элементов. Одним из результатов подобного феномена является нейтронная звезда - очень компактный, сверхплотный, со сложной структурой остаток погибшей звезды. При рождении он столь же горяч - до сотен миллиардов градусов, однако стремительно остывает за счет интенсивного излучения нейтрино. Но, как мы увидим далее, даже новорожденная нейтронная звезда - не то место, где температура - самая высокая во Вселенной.

Далекие экзотические объекты

Существует класс космических объектов, достаточно удаленных (а значит, и древних), характеризующихся совершенно экстремальными температурами. По современным воззрениям, квазар представляет собой обладающую мощным аккреционным диском, образуемым падающим на нее по спирали веществом - газом или, точнее, плазмой. Собственно, это активное галактическое ядро в стадии формирования.

Скорость движения плазмы в диске настолько велика, что вследствие трения она разогревается до сверхвысоких температур. Магнитные поля собирают излучение и часть вещества диска в два полярных пучка - джета, выбрасываемых квазаром в пространство. Это чрезвычайно высокоэнергетический процесс. Светимость квазара в среднем на шесть порядков выше светимости самой мощной звезды R136a1.

Теоретические модели допускают для квазаров эффективную температуру (то есть присущую абсолютно черному телу, излучающему с той же яркостью) не более 500 миллиардов градусов (5×10 11 K). Однако недавние исследования ближайшего квазара 3C 273 привели к неожиданному результату: от 2×10 13 до 4×10 13 K - десятки триллионов кельвинов. Такая величина сравнима с температурами, достигающимися в явлениях с наивысшим известным энерговыделением - в гамма-всплесках. На сегодняшний день это самая высокая температура во Вселенной, которая была когда-либо зарегистрирована.

Жарче всех

Следует иметь в виду, что квазар 3С 273 мы видим таким, каким он был около 2,5 миллиарда лет назад. Так что, учитывая, что, чем дальше мы заглядываем в космос, тем более отдаленные эпохи прошлого наблюдаем, в поисках самого горячего объекта мы вправе окинуть взглядом Вселенную не только в пространстве, но и во времени.

Если вернуться к самому моменту ее рождения - приблизительно 13,77 миллиарда лет назад, наблюдать который невозможно, - мы обнаружим совершенно экзотическую Вселенную, при описании которой космология подходит к пределу своих теоретических возможностей, связанному с границами применимости современных физических теорий.

Описание Вселенной становится возможным, начиная с возраста, соответствующего планковскому времени 10 -43 секунд. Самый горячий объект в эту эпоху - сама наша Вселенная, с планковской температурой 1,4×10 32 K. И это, согласно современной модели ее рождения и эволюции, максимальная температура во Вселенной из всех когда-либо достигавшихся и возможных.

Побить это температурный рекорд вряд ли удастся; в момент рождения наша Вселенная имела температуру около 10 32 К, и под словом «момент» мы здесь подразумеваем не секунду, а планковскую единицу времени, равную 5 10 -44 секунды. В это буквально неизмеримо короткое время Вселенная была так горяча, что мы понятия не имеем, по каким законам она существовала; на таких энергиях не существуют даже фундаментальные частицы.

2. БАК

Второе место в списке самых горячих мест (или моментов времени, в данном случае разницы нет) после Большого Взрыва занимает наша голубая планета. В 2012 году на Большом Адронном коллайдере физики столкнули разогнанные до 99% скорости света тяжелые ионы и на краткое мгновение получили температуру в 5,5 триллионов Кельвин (5*10 12) (или градусов Цельсия — на таких масштабах это одно и то же).

3. Нейтронные звезды

10 11 К - такова температура внутри новорожденой нейтронной звезды. Вещество при такой температуре совсем не похоже на привычные нам формы. Недра нейтронных звезд состоят из бурлящего «супа» электронов, нейтронов и других элементов. Всего за несколько минут звезда остывает до 10 9 К, а за первые сто лет существования — еще на порядок.

4. Ядерный взрыв

Температура внутри огненного шара ядерного взрыва составляет около 20 000 К. Это больше, чем температура на поверхности большинства звезд главной последовательности.

5. Самые горячие звезды (кроме нейтронных)

Температура поверхности Солнца — около шести тысяч градусов, но это не предел для звезд; самая горячая из известных на сегодняшний день звезд, WR 102 в созвездии Стрельца, раскалена до 210 000 К — это в десять раз горячее атомного взрыва. Таких горячих звезд сравнительно немного (в Млечном Пути их нашли около сотни, еще столько же в других галактиках), они в 10−15 раз массивнее Солнца и намного ярче него.

Необычный объект обнаружили при помощи новейшего телескопа ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), работающий в высокогорной чилийской пустыне Атакама в Южной Америке. Претендент на звание самого холодного объекта имеет температуру всего 1 градус Кельвина или минус 272,15 градусов по шкале Цельсия.

nasa.gov

Туманность Бумеранга всего на один градус выше абсолютного нуля — минимально возможной температуры, при которой замерзает самый легкий химический элемент — водород. Специалисты, работающие с ALMA, говорят, что данная туманность едва видна на фоне микроволнового фона Вселенной, представляющего собой остаточное излучение от Большого Взрыва, произошедшего 13,7 млрд лет назад. Считается, что микроволновой фон обладает минимальной из возможных температур и на его фоне все остальные объекты во Вселенной теплее, следовательно, они обладают тепловым излучением и видны в инфракрасном спектре наблюдений.

Однако Туманность Бумеранга тут практически не видна, телескоп передал лишь бумерангообразные очертания этой туманности, что указывает на крайне низкую температуру данного объекта. Ученые говорят, что низкая температура туманности — это лишь одна сторона медали. Другая — в том, что эта туманность обладает небольшим оптическим свечением, что невозможно объяснить современными научными знаниями. Впрочем, ученые говорят, что современной физике известно очень мало о сверххолодных космических объектах и многие данные здесь либо не полны, либо основаны на неподтвержденной теории.

Сама по себе Туманность Бумеранга представляет собой объект, удаленный от нас на 5000 световых лет в созвездии Центавра. Это достаточно молодой объект, что добавляет интриги, так как неясно, как в современной части Вселенной мог возникнуть столь холодный объект. Возможно, что в центре туманности есть несколько небольших или умирающих звезд, которые дают ему светимость, но пока это не подтверждено.

Ученые говорят, что туманность - это пре-планетарный объект, то есть тут нет звездных систем, подобных нашей, следовательно, и планет тут тоже нет. Вероятно, что столь низкая температура туманности обусловлена как раз работой тех самых звезд. Здесь создается эффект, похожий на тот, что существует в холодильниках. Звезды просто забирают все тепло из туманности, оставляя ее в виде гигантской морозильной камеры. При этом, свет звезд пронзает всю туманность и газо-пылевые облака в ней начинают светиться.

Отметим, что Туманность Бумеранга была открыта еще в 2003 году при помощи телескопа Хаббл, но этот телескоп не имеет системы температурного мониторинга, поэтому температура Туманности до сих пор была не выясненной. За десять лет исследований ученые, которые сначала определили форму газового облака в созвездии Центавра как галстук-бабочку или песочные часы, теперь сравнивают его с призраком. Специалисты, рассматривая Бумеранг, заметили, что туманность окутывает вытянутая оболочка, которая по форме напоминает привидение.

Куда бы вы ни отправились во Вселенной, везде будут источники тепла. Чем дальше вы от них ото всех, тем холоднее. На расстоянии в 150 миллионов километров от Солнца Земля поддерживает скромную температуру в 26-27 градусов по Цельсию, которая была бы градусов на 50 холоднее, не будь у нас атмосферы. Еще дальше - и Солнце будет нагревать объекты все меньше и меньше. Плутон, к примеру, температурой в -229 градуса по Цельсию: достаточно холодный, чтобы жидкий азот замерз. Мы можем отправиться еще дальше, в межзвездное пространство, где ближайшие звезды будут в световых годах от нас.

Холодные молекулярные облака, которые бродят изолированно по всей галактике, еще холоднее, на несколько градусов выше абсолютного нуля. Поскольку звезды, сверхновые, космические лучи, звездные ветры и все остальное обеспечивают галактику энергией в целом, сложно найти что-то еще более холодное в Млечном Пути. Но если выйти в межгалактическое пространство, за миллионы световых лет от ближайших звезд, единственным, что будет поддерживать вас в тепле, будет послесвечение Большого Взрыва, космический микроволновый фон.

При температуре ниже 3 градусов по Цельсию выше абсолютного нуля эти едва обнаруживаемые фотоны являются единственным источником тепла. Поскольку каждое место во Вселенной постоянно бомбардируется этими инфракрасными, микроволновыми и радиофотонами, можно подумать, что 2,725 градуса Кельвина (-270,42 по Цельсию) - это самое холодное, что можно найти в природе. Чтобы испытать температуру холоднее, нужно подождать, пока Вселенная расширится еще больше, растянет длины волн этих фотонов и остынет до еще более низкой температуры. И это произойдет, конечно же, но не скоро. К этому моменту Вселенная станет в два раза старше - пройдет еще 13,8 миллиарда лет - и самая низкая температура едва ли будет превышать хотя бы один градус выше абсолютного нуля. Однако вы уже сейчас можете найти место, которое холоднее самых глубоких глубин межгалактического пространства.

Даже далеко ходить не придется. Это туманность Бумеранг, расположенная всего в 5000 световых годах от нас, в нашей собственной галактике. В 1980 году, когда ее впервые наблюдали в Австралии, она была похожа на двудольную асимметричную туманность, за что ее и прозвали «бумерангом». Последующие наблюдения показали, что эта туманность является в действительности препланетарной туманностью, промежуточным этапом в жизни умирающих звезд типа Солнца. Все подобные звезды эволюционируют в красных гигантов и заканчивают свою жизнь в виде планетарной туманности и белого карлика, когда внешние слои раздуваются, а центральное ядро сжимается. Но между красным гигантом и планетарной туманностью есть фаза препланетарной туманности.

Перед тем как внутренняя температура звезды повысится, но после того, как начнется выталкивание внешних слоев, мы получим препланетарную туманностью. Иногда в виде сферы, но чаще в виде двух биполярных джетов, она будет выбрасывать вещество из солнечной системы в межзвездную среду. Этот этап очень короткий: всего несколько тысяч лет. Пока что в такой фазе было обнаружено около десятка звезд. Но туманность Бумеранга особенная даже среди них. Ее газовые джеты выбрасываются в десять раз быстрее, чем обычно, двигаясь на скорости около 164 километров в секунду. Она теряет массу быстрее, чем положено: каждый год улетучивается материал на несколько Нептунов. В результате получается самое холодное место в известной Вселенной, и в некоторых частях туманности температура составляет около 0,5 градуса Кельвина: полградуса выше абсолютного нуля.

Все остальные планетарные и препланетарные туманности гораздо теплее, но почему так происходит - это объяснить очень просто. Попробуйте глубоко вдохнуть, задержать дыхание на три секунды и затем выпустить воздух. Можно проделать это двумя способами, удерживая руку на расстоянии 15 сантиметров от вашего рта.

Можно выдохнуть широко разинутым ртом и почувствовать, как теплый воздух мягко ударяется о вашу руку.
Можно вытянуть губы трубочкой и выдуть холодный воздух.

В обоих случаях воздух нагревается внутри вашего тела и остается такой же температуры прежде, чем проходит через ваши губы. Но если рот широко открыт, воздух выходит медленно и слегка нагревает руку. Если же он выходит через маленькое отверстие, воздух быстро расширяется и остывает.

Внешние слои звезды, которые породили туманность Бумеранг, находятся в таких же условиях:

много горячего вещества
которое быстро выбрасывается
из крошечной точки (а точнее, двух)
расширяется и остывает.

Но что особенно интересно, так это то, что туманность Бумеранг предсказали еще до того, как нашли. Астроном Ражвендра Сахай подсчитал, что препланетарная туманность при определенных условиях - что были описаны выше - действительно может достичь более низкой температуры, чем все другие места во Вселенной. Сахая затем вошел в состав команды в 1995 году, которая проделала важные длинноволновые наблюдения и определила температуру туманности Бумеранг. Теперь это самое холодное известное место во Вселенной.

Вещества, которое занимает первое место этого списка, не существует уже почти 15 миллиардов лет. А на втором месте — наша Земля, точнее, ускоритель частиц под Женевой, где в 2012 году получили температуру, выше которой Вселенная не знала с начала времен.

В этой статье:

1. Большой взрыв

Побить это температурный рекорд вряд ли удастся; в момент рождения наша Вселенная имела температуру около 1032 К, и под словом «момент» мы здесь подразумеваем не секунду, а планковскую единицу времени, равную 5 10-44 секунды. В это буквально неизмеримо короткое время Вселенная была так горяча, что мы понятия не имеем, по каким законам она существовала; на таких энергиях не существуют даже фундаментальные частицы.

2. БАК

Второе место в списке самых горячих мест (или моментов времени, в данном случае разницы нет) после Большого Взрыва занимает наша голубая планета. В 2012 году на Большом Адронном коллайдере физики столкнули разогнанные до 99% скорости света тяжелые ионы и на краткое мгновение получили температуру в 5,5 триллионов Кельвин (5*1012) (или градусов Цельсия — на таких масштабах это одно и то же).

3. Нейтронные звезды

1011 К — такова температура внутри новорожденой нейтронной звезды. Вещество при такой температуре совсем не похоже на привычные нам формы. Недра нейтронных звезд состоят из бурлящего «супа» электронов, нейтронов и других элементов. Всего за несколько минут звезда остывает до 10 9 К, а за первые сто лет существования — еще на порядок.