Что происходит, когда сталкиваются планеты, звёзды и чёрные дыры?

Несмотря на обширность Вселенной, траектории многих планетарных объектов пересекаются — столкновения становятся неизбежными.

В течение последних 13,8 миллиардов лет, под действием силы тяжести, планетарные объекты агрегируются, уплотняются, разрушаются и вновь образуют сотни миллиардов новых объектов, путешествующих по космосу самостоятельно либо внутри гравитационно связанных систем.

Что происходит, когда сталкиваются планеты, звёзды и чёрные дыры?

Космический каталог Вселенной обогатился многими объектами, такими как планеты, звёзды, галактики, чёрные дыры и далее. Эти объекты развиваются в системах, связанных гравитацией, в пределах которой господствует сплочённость, локально противоположная феномену расширения Вселенной. Хотя расстояние между объектами обычно велико, но столкновения, на самом деле, случаются часто.

Планетарные столкновения и формирование естественных спутников

Около 4,5 миллиардов лет назад, при формировании Солнечной системы,  было более восьми планет. Моделирование показывает, что  между Юпитером и Нептуном существовал пятый газовый гигант; однако он был бы выброшен другими планетами во время чистки орбит.

  • Современные модели предполагают, что спутник Луна, а также марсианские спутники Фобос и Деймос, сформировались после планетарных столкновений.

Большинство гипотез о формировании Луны связаны со столкновением   молодой Земли с другой планетой. Это событие привело к миллиону тонн мусора в периферийной области; затем это облако пыли и камней агрегировало и сжалось, образовав Луну. Этот сценарий подкреплён многочисленными подсказками, в частности, исследованием лунных образцов миссиями Аполлона.
Точно так же марсианские спутники Фобос и Деймос происходят от столкновения Марса с большим космическим объектом.

Планеты часто сталкиваются при образовании своих солнечной системы. Когда они вступают в контакт друг с другом, это приводит к образованию единой более крупной планеты с облаком мусора, сжимающимся для образования одного или нескольких спутников. Характерным примером является система Плутона-Харона.

Столкновение коричневых карликов

Коричневый карлик — объект, масса которого недостаточна для инициирования реакций термоядерного синтеза водорода, но достаточна для запуска дейтерия. Объект мал, чтобы считаться звездой, но слишком массивен, чтобы считаться планетой. Масса коричневых карликов составляет  13-75 масс Юпитера; от 1% до 7, 5% массы Солнца.

  • Столкновение двух коричневых карликов, может привести к образованию  красного карлика.

Коричневые карлики состоят на 75% из водорода. Во время столкновения двух коричневых карликов, если общая масса объекта слияния превысит порог 0,075 солнечной массы, то новый объект будет достаточно массивен для запуска реакций термоядерного синтеза водорода и поэтому станет настоящей звездой. (Объект пост-слияния — красный карлик / звезда типа M).

Звёздные столкновения: глобулярные и поздние синие кластеры

Звёзды — объекты с широкой системой планет и космических масс.

  • Менее массивные звёзды являются красными, холодными и быстрее сжигают водород.
  • Самые массивные звёзды являются синими, тёплыми и быстрее сливают свой водород; поэтому они имеют более короткую жизнь.

Возраст звёздного скопления можно определить по распределению масс его звёзд.

В некоторых звёздных скоплениях некоторые наблюдаемые звёзды более синие, чем должны быть в эволюции звёзд на карте Герцшпрунга-Рассела. Теоретически,  эти поздние синие звёзды, называемые синими отставниками, происходят от столкновения звёзд внутри кластера-хозяина.

Модели звёздной формации предполагают, что поздние синие являются звёздами от столкновения двух менее массивных звёзд.
Действительно, когда две звезды сливаются, результирующий объект становится более массивным. Например, два красных карлика  могут образовать синюю звезду 1,5 солнечной массы, даже если звёздное скопление слишком старое, чтобы содержать 1,5 солнечной массы звезды.

Поздний синий кластер часто наблюдается в плотной звёздной среде шаровых скоплений. Даже когда звезда исчерпала своё топливо и потеряла массу, формирование новой, более массивной звезды всё ещё возможно благодаря слиянию.

Столкновения белых карликов

Белые карлики — плотные объекты, возникающие в результате эволюции звезды с максимальной массой от 8 до 10 масс Солнца. Они не очень яркие, но очень жаркие. Затем постепенно охлаждаются.

Белый карлик образуется, когда звезда исчерпала свои запасы водорода и гелия; сжимается под действием гравитации. Его массы недостаточно для запуска  углерода, ядро белого карлика разрушается.

  • Столкновение двух белых карликов приводит к сверхновой Ятии типа Ia, также называемой термоядерной сверхновой. При столкновении белых карликов, обе звезды измельчаются.

Столкновение реанимирует реакции слияния в пределах двух звёзд, которые быстро меняются и преобразуют половину своей массы в никель 56. При тепловом давлении верхние слои раздуваются, а вырожденные слои ядра выбрасываются один за другим. В критической точке давление становится прямой функцией температуры, а два белых карлика полностью разрушаются при взрыве.

Столкновения нейтронных звёзд

Нейтронные звёзды могут существовать в двоичных системах. Слияние двух нейтронных звёзд сопровождается появлением килоновой звезды, также называемой «r-технологической сверхновой».

Во время процесса испускается сильное изотропное электромагнитное излучение, возникающее из-за распада тяжёлых ионов, создаваемых процессами r (захват нейтронов атомными ядрами при высокой температуре). Такое событие слияния генерирует гравитационные волны, обнаруженные в 2017 году.

  • В зависимости от общей массы, в результате слияния двух нейтронных звёзд, объект пост-слияния будет иным: стабильная нейтронная звезда, или нейтронная звезда превращающаяся в чёрную дыру, или непосредственно чёрная дыра. Во всех случаях процесс излучает гравитационные волны.

Три сценария пост-слияния у нейтронных звёзд.

  1. Если общая масса составляет менее 2,5 солнечных масс, результирующий объект является стабильной и более массивной нейтронной звездой.
  2. Если общая масса составляет от 2,5 до 2,75 масс Солнца, результирующий объект представляет собой неустойчивую быстро вращающуюся нейтронную звезду, которая разрушается до чёрной дыры.
  3. Если общая масса больше 2,75 солнечных масс, результирующий объект является непосредственно чёрной дырой.

Столкновения чёрных дыр

Чёрные дыры не избегают общего правила — они могут столкнуться. Во время такого события, хотя результирующий объект будет более массивным, но в процессе он потеряет около 5% общей массы. В 2015 году наблюдалось слияние двух чёрных дыр — у одной было 29 солнечных масс и у другой было 36 солнечных масс. Однако общая масса составила, вместо 65 солнечных масс,  62 массы Солнца.

  • При слиянии двух чёрных дыр, получившаяся чёрная дыра более массивная, но около 5% от общей массы рассеивается в виде гравитационных волн.

Эта масса исчезает за счёт диссипации энергии плавления в виде гравитационных волн. Именно эти пространственно-временные ряби были обнаружены интерферометром LIGO.

В течение короткого момента слияния, две чёрные дыры могут произвести больше энергии, чем множество звёзд, присутствующих в наблюдаемой Вселенной.