Що буде, якщо на Землю впаде шматок нейтронної зорі розміром із кульку для пінг-понгу?

Уявіть зви­чай­ну куль­ку для пінг-понгу діа­ме­тром близь­ко чоти­рьох сан­ти­ме­трів. Її можна втри­ма­ти двома паль­ця­ми, покла­сти в кише­ню або випад­ко­во роз­ча­ви­ти ногою. Але тепер уявіть, що ця сама куль­ка важить мільяр­ди тонн. Настільки бага­то, що її маса пере­ви­щує масу бага­тьох гір. Саме до таких див­них резуль­та­тів при­во­дить фізи­ка ней­трон­них зірок — одних із най­екс­тре­маль­ні­ших об’єктів у Всесвіті. Час від часу в попу­ляр­ній науці вини­кає пита­н­ня: що буде, якщо шма­ток ней­трон­ної зорі яки­мось чином опи­ни­ться на Землі? Відповідь вияв­ля­є­ться зна­чно скла­дні­шою та ціка­ві­шою, ніж зда­є­ться на пер­ший погляд.

Що таке нейтронна зоря і чому вона така щільна

Нейтронні зорі наро­джу­ю­ться після вибу­хів масив­них надно­вих. Коли зоря вичер­пує своє пали­во, її зов­ні­шні обо­лон­ки вики­да­ю­ться в космос, а ядро сти­ска­є­ться під дією вла­сної гра­ві­та­ції. Тиск стає настіль­ки коло­саль­ним, що еле­ктро­ни букваль­но вдав­лю­ю­ться в про­то­ни, утво­рю­ю­чи ней­тро­ни. У резуль­та­ті вини­кає об’єкт діа­ме­тром при­бли­зно 20 – 25 кіло­ме­трів, який може місти­ти масу, біль­шу за масу Сонця.

Густина такої речо­ви­ни вихо­дить за межі зви­чно­го люд­сько­го досві­ду. Один кубі­чний сан­ти­метр ней­трон­ної мате­рії може важи­ти сотні міль­йо­нів або навіть мільяр­ди тонн. Для порів­ня­н­ня, кубі­чний сан­ти­метр води важить лише один грам. Саме тому куль­ка роз­мі­ром із м’ячик для настіль­но­го тені­су тео­ре­ти­чно могла б мати масу поряд­ку кіль­кох мільяр­дів тонн.

Найімовірніший сценарій: нічого не долетить до Землі

Парадоксально, але най­ре­а­лі­сти­чні­ший варі­ант роз­ви­тку подій поля­гає в тому, що шма­ток ней­трон­ної зорі вза­га­лі не зможе існу­ва­ти окре­мо від самої зорі. Вся ста­біль­ність ней­трон­ної мате­рії під­три­му­є­ться гігант­ським гра­ві­та­цій­ним тиском. Варто лише забра­ти цю речо­ви­ну з поверх­ні зорі, як умови змі­ню­ю­ться кардинально.

Більшість суча­сних моде­лей перед­ба­чає, що така мате­рія швид­ко втра­тить ста­біль­ність і почне роз­па­да­ти­ся. Нейтрони за нор­маль­них умов не є абсо­лю­тно ста­біль­ни­ми частин­ка­ми. Вони посту­по­во роз­па­да­ю­ться на про­то­ни, еле­ктро­ни та анти­ней­три­но. Усередині ней­трон­ної зорі цьому про­це­су зава­жає над­зви­чай­ний тиск, але поза її межа­ми ситу­а­ція стає зов­сім іншою.

Тому якщо гіпо­те­ти­чно від­ко­ло­ти шма­ток ней­трон­ної мате­рії та пере­не­сти його в між­зо­ря­ний про­стір, най­імо­вір­ні­ше він дуже швид­ко пере­тво­ри­ться на зви­чай­ну речо­ви­ну або вибу­хо­по­ді­бно роз­ши­ри­ться. У тако­му випад­ку жодна «куль­ка масою мільяр­ди тонн» про­сто не доле­тить до Землі.

Екзотичний сценарій: дивна матерія

Саме тут фізи­ка стає наба­га­то ціка­ві­шою. У деяких тео­ре­ти­чних моде­лях існує так звана дивна мате­рія або strange matter. Це гіпо­те­ти­чний стан речо­ви­ни, що скла­да­є­ться не лише з верх­ніх і нижніх квар­ків, а й містить дивні кварки.

Якщо така мате­рія справ­ді існує, вона може вияви­ти­ся ста­біль­ні­шою за зви­чай­ну ядер­ну речо­ви­ну. Невеликі шма­то­чки див­ної мате­рії, які іноді нази­ва­ють стран­гле­та­ми, тео­ре­ти­чно могли б існу­ва­ти навіть поза ней­трон­ною зорею. Проблема поля­гає в тому, що на сьо­го­дні жодно­го під­твер­дже­но­го стран­гле­та люд­ство не вияви­ло. Це ціка­ва, але поки що непе­ре­ві­ре­на гіпотеза.

Саме на цьому при­пу­щен­ні базу­ю­ться біль­шість фан­та­сти­чних сце­на­рі­їв про «куль­ку ней­трон­ної зорі, що падає на Землю».

Найстрашніший сценарій: якщо об’єкт збереже свою густину

Тепер уяві­мо, що перед нами дій­сно ста­біль­ний шма­ток над­щіль­ної мате­рії діа­ме­тром чоти­ри сан­ти­ме­три та масою кіль­ка мільяр­дів тонн. Що від­бу­де­ться тоді?

Насамперед такий об’єкт пра­кти­чно немо­жли­во було б зупи­ни­ти атмо­сфе­рою. Для нього атмо­сфе­ра Землі була б надто роз­рі­дже­ною. На від­мі­ну від зви­чай­них метео­ри­тів, які силь­но нагрі­ва­ю­ться через тертя, над­щіль­ний об’єкт міг би майже не втра­ти­ти швид­кість під час входу в атмосферу.

Але голов­на небез­пе­ка поля­га­ла б не в ударі. Через вели­че­зну масу нав­ко­ло об’єкта вини­кло б над­зви­чай­но поту­жне гра­ві­та­цій­не поле. Будь-яка речо­ви­на побли­зу тра­є­кто­рії поча­ла б різко змі­щу­ва­ти­ся до нього. Гірські поро­ди, вода, ґрунт і пові­тря букваль­но при­тя­гу­ва­ли­ся б до об’єкта під час його проходження.

У резуль­та­ті він міг би про­би­ти Землю майже наскрізь, зали­ша­ю­чи вузь­кий канал руй­ну­вань. При цьому основ­на шкода вини­ка­ла б не через сам кон­такт, а через гра­ві­та­цій­ні збу­ре­н­ня та удар­ні хвилі в нав­ко­ли­шній речовині.

Чи міг би такий об’єкт перетворити Землю на чорну діру

Це один із най­по­пу­ляр­ні­ших міфів у поді­бних обго­во­ре­н­нях. Насправді від­по­відь — ні.

Хоча маса в кіль­ка мільяр­дів тонн зда­є­ться фан­та­сти­чною для об’єкта роз­мі­ром із куль­ку для пінг-понгу, для утво­ре­н­ня чор­ної діри цього недо­ста­тньо. Чорна діра такої маси мала б раді­ус гори­зон­ту подій мен­ший за атом­не ядро. Сам по собі шма­ток ней­трон­ної мате­рії авто­ма­ти­чно не пере­тво­рю­є­ться на чорну діру лише через висо­ку густину.

Тому сце­на­рії, де така куль­ка мит­тє­во погли­нає Землю або запу­скає неми­ну­чий колапс пла­не­ти, не від­по­від­а­ють суча­сним уяв­ле­н­ням астрофізики.

Що нас насправді дивує в нейтронних зорях

Найцікавіше в цій істо­рії навіть не можли­ві ката­стро­фи. Насправді вона пока­зує, наскіль­ки люд­ська інту­ї­ція пога­но пра­цює в екс­тре­маль­ній фізи­ці. Ми зви­кли оці­ню­ва­ти небез­пе­ку за роз­мі­ра­ми об’єкта. Великий асте­ро­їд зда­є­ться стра­шним, а малень­ка куль­ка — майже безпечною.

Нейтронні зорі пов­ні­стю лама­ють цю логі­ку. Вони демон­стру­ють, що густи­на іноді важли­ві­ша за роз­мір. Об’єкт, який можна схо­ва­ти в доло­ні, тео­ре­ти­чно зда­тний місти­ти біль­ше маси, ніж вели­че­зна гора. Саме тому ней­трон­ні зорі зали­ша­ю­ться одни­ми з най­за­гад­ко­ві­ших лабо­ра­то­рій Всесвіту, де фізи­ка пра­цює за пра­ви­ла­ми, які майже немо­жли­во від­чу­ти на вла­сно­му досвіді.

Якщо гово­ри­ти стро­го нау­ко­во, то най­більш імо­вір­ний сце­на­рій поля­гає в тому, що шма­ток ней­трон­ної зорі про­сто не зміг би існу­ва­ти окре­мо від самої зорі. Але якщо допу­сти­ти існу­ва­н­ня ста­біль­ної над­щіль­ної мате­рії, наслід­ки могли б бути над­зви­чай­но незви­чай­ни­ми. Саме тому пита­н­ня про куль­ку роз­мі­ром із м’ячик для пінг-понгу вияв­ля­є­ться не істо­рі­єю про ката­стро­фу, а чудо­вою демон­стра­ці­єю того, наскіль­ки див­ним і кон­трін­ту­ї­тив­ним може бути наш Всесвіт.