10 strane stelle teoriche

Gli umani sono stati affascinati dalle stelle sin dalla storia. Con la scienza moderna, sappiamo molto delle stelle, inclusi i loro vari tipi e strutture. La conoscenza su questo argomento è ancora in via di sviluppo e gli astrofisici hanno proposto una varietà di stelle teoriche che potrebbero esistere nel nostro universo. Accanto alle stelle teoriche ci sono oggetti a forma di stella, strutture astronomiche che appaiono e si comportano come stelle ma non hanno le caratteristiche standard che attribuiamo alle stelle, principalmente la struttura chimica e la fonte di energia di fusione. Gli oggetti di questo elenco sono all'avanguardia della ricerca fisica e non sono stati osservati direttamente ... ancora.

10 Quark Star

Una stella alla fine della sua vita può collassare in un buco nero, una nana bianca o una stella di neutroni. Se la stella è sufficientemente densa prima che esploda in una supernova, il residuo stellare formerà una stella di neutroni. Quando ciò accade, la stella diventa estremamente calda e densa. Con così tanta materia ed energia, la stella tenta di collassare su se stessa e formare una singolarità, ma le particelle fermioniche nel centro (in questo caso i neutroni) obbediscono al principio di esclusione di Pauli. Ciò significa che i neutroni non possono essere compressi nello stesso stato quantico, quindi spingono indietro contro la materia che collassa, raggiungendo l'equilibrio.

Per decenni, gli astronomi presumevano che una stella di neutroni sarebbe rimasta in equilibrio. Ma man mano che la teoria dei quanti si sviluppava, gli astrofisici proposero un nuovo tipo di stella che si avrebbe quando la pressione degenerativa del nucleo di neutroni fallì. Questo è chiamato una stella di quark. All'aumentare della pressione della massa stellare, i neutroni si dividono nei loro quark ascendenti e discendenti costituiti, che sotto pressione ed energia intense potrebbero essere in grado di esistere liberamente invece di accoppiarsi per produrre adroni come protoni e neutroni. Definita "materia strana", questa zuppa di quark sarebbe incredibilmente densa, molto più di una normale stella di neutroni.

Gli astrofisici stanno ancora discutendo su come si formerebbero esattamente queste stelle. Alcune teorie affermano che si verificano quando la massa di una stella collassante si trova tra la massa necessaria per formare un buco nero o una stella di neutroni. Altri ricercatori hanno teorizzato meccanismi più esotici. Una teoria fondamentale è che le stelle di quark si formano quando pacchetti densi di materia straniera preesistente avvolti in particelle massive (o WIMP) che interagiscono debolmente si scontrano con una stella di neutroni, seminando il nucleo di materia strana e iniziando la trasformazione. Se ciò accadesse, la stella di neutroni manterrebbe una "crosta" di materiale di stella di neutroni, facendolo sembrare effettivamente una stella di neutroni mentre ha uno strano nucleo di materia. Sebbene non siano state trovate stelle di quark, molte delle stelle di neutroni che sono state osservate potrebbero essere segretamente stelle di quark.

9 Stella elettrodebole

Mentre la star dei quark sembra essere l'ultimo stadio della vita di una star prima che muoia e diventi un buco nero, i fisici hanno recentemente proposto un'altra stella teorica che potrebbe esistere tra una stella di quark e un buco nero. Chiamata stella elettrodebole, questo tipo teorico sarebbe in grado di sostenere l'equilibrio a causa delle complesse interazioni tra la forza nucleare debole e la forza elettromagnetica, nota collettivamente come forza elettrodebole.

In una stella elettrodebole, la pressione e l'energia della massa della stella spingevano verso il basso il nucleo della strana materia della stella del quark. Man mano che l'energia si intensifica, le forze nucleari elettromagnetiche e deboli si mescolano e non rimane alcuna distinzione tra le due forze. Con questo livello di energia, i quark nel nucleo si dissolvono in leptoni, come elettroni e neutrini. La maggior parte della materia strana si trasformerebbe in neutrini e l'energia liberata fornirebbe abbastanza forza esterna per fermare il collasso stellare.

I ricercatori sono interessati a trovare una stella elettrodebole perché le caratteristiche del nucleo non sarebbero diverse dall'universo primordiale un miliardesimo di secondo dopo il big bang. A quel punto nella storia del nostro universo, non c'era distinzione tra forza nucleare debole e forza elettromagnetica. Si è dimostrato difficile formulare teorie su quel periodo, quindi trovare una stella elettrodebole darebbe un enorme impulso alla ricerca cosmologica.

Una stella elettrodebole sarebbe anche uno degli oggetti più densi dell'universo. Il nucleo di una stella elettrodebole sarebbe la dimensione di una mela ma contiene la massa di due Terre, rendendolo più denso di qualsiasi stella precedentemente osservata.

8 oggetti Thorne-Zytkow

Nel 1977, Kip Thorne e Anna Zytkow pubblicarono un articolo che dettagliava un nuovo tipo di stella chiamato Thorne-Zytkow Object (TZO). Una TZO è una stella ibrida formata dalla collisione tra una supergigante rossa e una stella di neutroni piccola e densa. Poiché una supergigante rossa è una stella estremamente grande, la stella di neutroni impiegherebbe centinaia di anni per violare la sua atmosfera interiore. Mentre continua a scavare nella stella, il centro orbitale (chiamato baricentro) delle due stelle si sposterà verso il centro della supergigante. Alla fine, le due stelle si uniranno, causando una grande supernova e infine un buco nero.

Quando osservato, il TZO inizialmente sembrerebbe un tipico supergigante rosso. Tuttavia, il TZO avrebbe una varietà di proprietà insolite per un supergigante rosso. La sua composizione chimica non sarebbe solo leggermente diversa, ma la stella di neutroni scavatrice causerebbe esplosioni di onde radio dall'interno. Trovare un TZO è estremamente difficile a causa di quanto differentemente si distingue da un normale supergigante rosso. Inoltre, un TZO probabilmente non si forma nel nostro vicinato galattico, ma piuttosto vicino al centro della Via Lattea, dove le stelle sono più ravvicinate.

Tuttavia, ciò non ha impedito agli astronomi di cercare una stella cannibale, e nel 2014 è stato annunciato che la supergigante HV 2112 era un possibile TZO.I ricercatori hanno scoperto che HV 2112 ha una quantità insolitamente elevata di elementi metallici per una supergigante rossa. Il trucco chimico di HV 2112 corrisponde a quello teorizzato da Thorne e Zytkow negli anni '70, quindi gli astronomi lo considerano un candidato forte per il primo TZO osservato. Sono necessarie ulteriori ricerche, ma è emozionante pensare che l'umanità possa aver trovato la loro prima stella cannibale.

7 Frozen Star

Una stella standard fonde l'idrogeno combustibile per creare l'elio e si sostiene con la pressione verso l'esterno di questo processo. Tuttavia, l'idrogeno non può durare per sempre, e alla fine, la stella deve bruciare elementi più pesanti. Sfortunatamente, l'energia rilasciata da questi elementi più pesanti non è tanto quanto l'idrogeno, e la stella comincia a raffreddarsi. Quando la stella alla fine diventa supernova, semina l'universo con gli elementi metallici che giocheranno un ruolo nella formazione di nuove stelle e pianeti. Mentre l'universo avanza nel tempo, sempre più stelle esplodono. Gli astrofisici hanno dimostrato che mentre l'universo invecchia, il suo contenuto complessivo di metallo aumenterà.

In passato, le stelle non avevano quasi alcun metallo in esse, ma in futuro le stelle avranno un contenuto di metallo notevolmente aumentato. Man mano che l'universo invecchia, si formeranno nuovi e insoliti tipi di stelle metalliche, compresa l'ipotetica stella congelata. Questo tipo di stella è stato proposto negli anni '90. Con l'abbondanza di metallo nell'universo, le stelle di nuova formazione avrebbero bisogno di una temperatura molto più bassa per diventare una stella di sequenza principale. Le stelle più piccole, con 0.04 masse stellari (circa la massa di Giove), potrebbero diventare la sequenza principale sostenendo la fusione nucleare a soli 0 gradi Celsius (32 ° F). Sarebbero congelati e circondati da nuvole di ghiaccio ghiacciato. Nel lontano futuro, queste stelle congelate sostituiranno la maggior parte delle stelle normali in un universo freddo e triste.

6 Magnetospheric Eternally Collapsing Object

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Non dovrebbe sorprendere che ci siano molte proprietà confusionarie e paradossi che coinvolgono buchi neri. Per affrontare i problemi inerenti alla matematica dei buchi neri, i teorici hanno proposto una varietà di oggetti simili a stelle. Nel 2003, gli scienziati hanno proposto che i buchi neri non siano in realtà singolarità, come generalmente si pensa, ma sono un tipo esotico di stella chiamato l'oggetto eternamente collassante magnetoscopico (MECO). Il modello MECO è un tentativo di affrontare il problema teorico che la questione di un buco nero collassante sembra viaggiare più veloce della velocità della luce.

Un MECO si forma proprio come un normale buco nero. La materia viene sopraffatta dalla gravità e comincia a collassare su se stessa. Tuttavia, in un MECO, la radiazione prodotta dalla collisione di particelle subatomiche crea una pressione verso l'esterno non diversa dalla pressione causata dalla fusione nel nucleo di una stella. Ciò consente al MECO di rimanere relativamente stabile. Non forma mai un orizzonte di eventi e non collassa mai completamente. I buchi neri alla fine collassano su se stessi ed evaporano, ma un MECO richiederebbe una quantità infinita di tempo per crollare. Quindi, entra in uno stato di eterno collasso.

Le teorie di MECO risolvono molti problemi di buchi neri, incluse le informazioni. Perché un MECO non collassa mai, non ha i problemi di distruzione delle informazioni come un buco nero. Per quanto interessanti possano essere le teorie di MECO, sono state accolte con molto scetticismo nella comunità della fisica. Si ritiene generalmente che i quasar siano buchi neri circondati da un disco di accrescimento luminoso, così gli astronomi hanno tentato di trovare un quasar con le precise qualità magnetiche di un MECO. Nessuno è stato trovato in modo definitivo, ma i nuovi telescopi in cerca di buchi neri dovrebbero gettare luce sulla teoria. Per ora, il MECO è una soluzione interessante per i problemi del buco nero, ma non è un candidato leader.

5 Population III Star

Abbiamo già parlato di stelle congelate esistenti alla fine dell'universo, quando tutto è diventato troppo metallico per formare stelle calde. Ma che dire delle stelle all'altro capo dello spettro? Queste stelle, composte dal gas primordiale lasciato dal big bang, sono chiamate stelle Popolazione III. Lo schema di popolazione di stelle fu ideato da Walter Baade negli anni '40 e descrisse il contenuto metallico di una stella. Maggiore è la popolazione, maggiore è il contenuto di metallo. Per il tempo più lungo, c'erano solo due popolazioni di stelle (logicamente chiamate Popolazione I e Popolazione II), ma gli astrofisici moderni hanno iniziato una seria ricerca sulle stelle che devono essere esistite subito dopo il Big Bang.

Queste stelle non avevano elementi più pesanti in esse. Erano composti interamente di idrogeno ed elio, con possibili tracce di litio. Le stelle della popolazione III erano assurdamente luminose e gigantesche, più grandi delle stelle attuali. Il loro nucleo non solo fonderebbe elementi normali, ma sarebbe anche alimentato da reazioni di annientamento della materia oscura. Erano anche estremamente di breve durata, della durata di circa due milioni di anni. Alla fine, queste stelle bruciarono tutto il loro combustibile di idrogeno ed elio, iniziarono a fondere il loro combustibile in elementi metallici più pesanti, e esplodevano, disperdendo i loro elementi più pesanti in tutto l'universo. Nessuno è sopravvissuto all'universo primordiale.

Se nessuno è sopravvissuto, perché ci prendiamo cura di loro? Gli astronomi sono molto interessati alle stelle di Popolazione III perché ci permetteranno di comprendere meglio cosa è successo nel Big Bang e come si è evoluto l'universo primitivo. In questo tentativo, la velocità della luce è l'amico di un astronomo. Dato il valore costante della velocità della luce, se gli astronomi possono trovare stelle estremamente distanti, in realtà stanno guardando indietro nel tempo. Una squadra di astronomi dell'Istituto di astrofisica e scienze spaziali sta cercando di guardare le galassie più lontane dalla Terra che mai tentate.La luce di queste galassie sarebbe di alcuni milioni di anni dopo il Big Bang e potrebbe contenere la luce delle stelle della Popolazione III. Studiare queste stelle permetterà agli astronomi di guardare indietro nel tempo. Oltre a ciò, studiare le stelle di Popolazione III ci mostra anche da dove veniamo. Quelle stelle iniziali sono quelle che hanno seminato l'universo con gli elementi vivificanti necessari per l'esistenza umana.

4 Quasi-Star

Da non confondere con un quasar (un oggetto che assomiglia ad una stella ma in realtà non lo è), la quasi-stella è un tipo teorico di stella che avrebbe potuto esistere solo nell'universo primordiale. Come il TZO di cui sopra, la quasi-stella sarebbe stata una stella cannibale, ma invece di avere un'altra stella nel mezzo, aveva un buco nero. Le quasi stelle si sarebbero formate da enormi stelle della Popolazione III. Quando le stelle normali collassano, diventano supernove e lasciano un buco nero. In una quasi-stella, il denso strato esterno di materiale nucleare avrebbe assorbito l'esplosione di energia dal collasso del nucleo e sarebbe rimasto al suo posto senza andare alla supernova. Il guscio esterno della stella sarebbe rimasto intatto, mentre l'interno formava un buco nero.

Come una moderna stella basata sulla fusione, la quasi-stella raggiungerebbe un equilibrio, anche se sarebbe stata sostenuta da oltre l'energia della fusione. L'energia emessa dal nucleo del buco nero avrebbe fornito la pressione verso l'esterno per resistere al collasso gravitazionale. Una stella quasi sarebbe stata nutrita dalla materia che cadeva nel buco nero interno e dava energia. A causa del massiccio rilascio di energia, una quasi-stella sarebbe stata estremamente brillante e circa 7.000 volte più massiccia del Sole.

Alla fine, tuttavia, una quasi-stella perderebbe il suo guscio esterno dopo circa un milione di anni, lasciando solo un enorme buco nero. Gli astrofisici hanno teorizzato che le quasi-stelle antiche erano la fonte dei buchi neri supermassicci nei centri della maggior parte delle galassie, inclusa la nostra. La Via Lattea avrebbe potuto iniziare come una di quelle stelle antiche esotiche e insolite.

3 Preon Star

I filosofi attraverso i secoli hanno discusso su quale sia la più piccola divisione possibile della materia. Con l'osservazione di protoni, neutroni ed elettroni, gli scienziati pensavano di aver trovato la struttura sottostante dell'universo. Tuttavia, con il procedere della scienza, sono state trovate particelle sempre più piccole, che hanno reinventato la nostra concezione del nostro universo. Ipoteticamente, questo potrebbe andare avanti all'infinito, ma alcuni teorici hanno proposto il preon come il più piccolo pezzo di natura. Un preon è una particella puntiforme, senza dimensione spaziale. Spesso, i fisici descrivono particelle come un elettrone come una particella puntiforme, ma questo è solo un modello conveniente. Gli elettroni hanno effettivamente dimensioni. In teoria, un preon non lo fa. Sarebbero la particella subatomica più basilare.

Sebbene la ricerca pre-tecnica non sia attualmente in voga, ciò non ha impedito agli scienziati di discutere di come sarebbe una stella fatta di pre-morte. Le stelle di Preon sarebbero estremamente minuscole, di dimensioni variabili tra un pisello e un pallone da calcio. Imballato in quella piccola area sarebbe la massa della Luna. Le stelle di Preon sarebbero leggere secondo gli standard astronomici ma molto più dense delle stelle di neutroni, l'oggetto osservato più denso.

Queste piccole stelle sarebbero estremamente difficili da vedere e sarebbero visibili solo osservando le lenti gravitazionali e le radiazioni dei raggi gamma. A causa della loro natura non rilevabile, alcuni teorici hanno proposto le stelle preon come candidati per la materia oscura. Tuttavia, i ricercatori degli acceleratori di particelle si concentrano sulla ricerca della particella del bosone di Higgs invece di cercare i preconcetti, quindi passerà molto tempo prima che l'esistenza del preon sia dimostrata o smentita e un tempo ancora più lungo prima di trovarne una stella.

2 Stella di Planck

Una delle domande più interessanti sui buchi neri è come sono dentro. Innumerevoli film, libri e articoli sono stati pubblicati su questo tema, dal fantastico all'alto scientifico. Non c'è consenso nella comunità della fisica. Spesso, il centro di un buco nero è descritto come una singolarità con densità infinita e senza dimensione spaziale, ma cosa significa in realtà? I moderni teorici stanno tentando di superare quella descrizione vaga e in realtà scoprire cosa sta accadendo in un buco nero. Tra tutte le teorie, una delle più affascinanti è che il centro di un buco nero contiene effettivamente una stella chiamata stella di Planck.

La motivazione alla base della proposta della stella di Planck è quella di risolvere il paradosso delle informazioni sul buco nero. Se un buco nero è considerato solo un punto singolarità, allora ha lo sfortunato effetto collaterale di essere distrutto quando entra nel buco nero, violando le leggi di conservazione. Tuttavia, avere una stella nel mezzo di un buco nero risolve questo problema e aiuta ad affrontare i problemi sull'orizzonte degli eventi di un buco nero.

Come puoi immaginare, una stella di Planck è una strana bestia, sebbene sia supportata dalla normale fusione nucleare. Il suo nome deriva dal fatto che la stella avrebbe una densità di energia vicino alla densità di Planck. La densità energetica è una misura dell'energia contenuta in una regione dello spazio e la densità di Planck è un numero enorme: 5,15 x 10 chilogrammi per metro cubo. Questa è molta energia. Teoricamente, è la quantità di energia contenuta nell'universo subito dopo il Big Bang. Sfortunatamente, non saremmo mai in grado di vedere una stella di Planck se si trovasse all'interno di un buco nero, ma rappresenta un'idea interessante per risolvere vari paradossi astronomici.

1 fuzzball

I fisici amano inventare nomi divertenti per idee complesse. "Fuzzball" è il nome più simpatico mai dato a una regione di spazio mortale che potrebbe ucciderti all'istante. La teoria del fuzzball deriva dal tentativo di descrivere un buco nero usando le idee della teoria delle stringhe.Come tale, un fuzzball non è una vera stella nel senso che non è un miasma di plasma incandescente supportato dalla fusione termonucleare. Piuttosto, è una regione di stringhe di energia entangled supportate dalla propria energia interna.

Come accennato in precedenza, un problema chiave con i buchi neri è capire cosa c'è dentro di loro. Questo profondo problema è sia un mistero osservativo che teorico. Le teorie del buco nero standard portano a una serie di contraddizioni. Stephen Hawking ha mostrato che i buchi neri evaporano, il che implica che ogni informazione in essi contenuta è persa per sempre. I modelli del buco nero mostrano che la sua superficie è un "firewall" ad alta energia che evapora le particelle in arrivo. Soprattutto, le teorie della meccanica quantistica non funzionano se applicate a una singolarità del buco nero.

I fuzzball rispondono a queste preoccupazioni. Per capire cos'è un fuzzball, immagina di vivere in un mondo bidimensionale come un pezzo di carta. Se qualcuno mette un cilindro sul foglio, lo percepiremo come un cerchio bidimensionale, anche se l'oggetto esiste effettivamente in tre dimensioni. Possiamo immaginare che strutture dimensionali superiori esistano nel nostro universo; nella teoria delle stringhe, queste sono chiamate brane. Se esistesse una branca con dimensioni più elevate, la percepiremmo solo con i nostri sensi e la nostra matematica a quattro dimensioni. I teorici delle stringhe hanno proposto che ciò che chiamiamo buco nero sia in realtà solo la nostra percezione a dimensioni inferiori di una struttura di stringhe di dimensione superiore che si interseca con il nostro spazio-tempo quadridimensionale. Quindi, un buco nero non è davvero una singolarità; è solo l'intersezione del nostro spazio-tempo con stringhe di dimensione superiore. Questa intersezione è la fuzzball.

Potrebbe sembrare esoterico, ed è ancora molto dibattuto. Tuttavia, se i buchi neri sono in realtà fuzzball, risolve molti dei paradossi. Ha anche caratteristiche leggermente diverse rispetto ai buchi neri. Invece di una singolarità unidimensionale, la palla fuzzball ha un volume definito. Ma sebbene abbia un volume definito, non ha un preciso orizzonte degli eventi, rendendo i bordi "sfocati". Permette anche ai fisici di descrivere un buco nero usando i principi della meccanica quantistica. Inoltre, "fuzzball" è un nome davvero divertente da avere nel nostro volgare scientifico.