Металл с самой большой плотностью. Что находится внутри нейтронных звезд? Была ли стадия инфляции
Среди диковинок, скрытых в глубинах вселенной, вероятно, навсегда сохранит одно из значительных мест небольшая звёздочка близ Сириуса. Эта звезда состоит из вещества, в 60 000 раз более тяжёлого, нежели вода! Когда мы берём в руки стакан ртути, нас удивляет его грузность: он весит около 3 кг. Но что сказали бы мы о стакане вещества, весящем 12 т и требующем для перевозки железнодорожной платформы? Это кажется абсурдом, а между тем таково одно из открытий новейшей астрономии.
Однако на ежедневной основе очень часто обнаруживают пористые твердые частицы или частицы, такие как пенополистирол, сухое молоко, песок. В этих материалах, даже если мы не можем видеть, есть частицы твердого материала, «сложенные» или «склеенные» между ними. Эти пространства не пусты: они заполнены воздухом, плотность которого намного ниже плотности большинства твердых веществ.
В результате такой материал занимает больше места, чем если бы он был в форме однородного блока, а плотность, которую мы используем, является кажущейся плотностью. Так можно ли иметь твердые тела с большим количеством «пустот»? Это и следствие интересно: эти материалы очень пористые, с применением в фильтрации, адсорбции и газовом запасе - газ занимает поверхность частиц материала, в известном как адсорбция.
Открытие это имеет длинную и в высшей степени поучительную историю. Уже давно было замечено, что блистательный Сириус совершает своё собственное движение среди звёзд не по прямой линии, как большинство других звёзд, а по странному извилистому пути. Чтобы объяснить эти особенности его движения, известный астроном Бессель предположил, что Сириуса сопровождает спутник, своим притяжением «возмущающий» его движение. Это было в 1844 г. — за два года до того, как был открыт Нептун «на кончике пера». А в 1862 г., уже после смерти Бесселя, догадка его получила полное подтверждение, так как заподозренный спутник Сириуса был усмотрен в телескоп.
Как вы, возможно, догадались, материалы с хорошо упорядоченной и компактной структурой, например кристаллы, имеют высокую плотность. Наконец, свойства, на которых вы можете изучить смачивание аэрированного шоколада, - обратите внимание на то, как его кажущаяся плотность намного ниже, чем у обычного шоколада.
Плотность тела или любой материи также может быть мерой. Для этого мы должны связать две величие: ее массу и ее объем. Вспомним анекдот, который мы часто слышим: что весит еще один фунт хлопка или фунт свинца? Ну, во-первых, «вес» один и тот же, поскольку мы имеем в виду фунт каждого материала, то есть того же размера. Но мы используем кавычки в весе слов, потому что, по сути, неверно - с научной точки зрения - ссылаться на вес, чтобы справиться с этим величием.
Спутник Сириуса — так называемый «Сириус В» — обращается около главной звезды в 49 лет на расстоянии, в 20 раз большем, чем Земля вокруг Солнца (т. е. примерно на расстоянии Урана). Это — слабая звёздочка восьмой-девятой величины, но масса её весьма внушительна, почти 0,8 массы нашего Солнца. На расстоянии Сириуса наше Солнце должно было бы светить звездой 1,8-й величины; поэтому если бы спутник Сириуса вмел поверхность, уменьшенную по сравнению с солнечной в соответствии с отношением масс этих светил, то при той же температуре он должен был бы сиять, как звезда примерно второй величины, а не восьмой-девятой. Столь слабую яркость астрономы первоначально объясняли низкой температурой на поверхности этой звезды; её рассматривали как остывающее солнце, покрывающееся уже твёрдой корой.
Грамм представляет собой единицу измерения массы. С другой стороны, вес - это сила, которая усугубляется мерой массы, умноженной на действие силы тяжести. Но каков трюк в фунтах хлопка и свинца? Теперь человек может запутаться, отвечая на вопрос, потому что фунт хлопка занимает объем, намного превышающий фунт свинца. Объем, занимаемый массой, является реляционной мерой: плотностью.
Если мы сравним эквивалентные объемы хлопка и свинца, мы поймем, что объем хлопка намного легче, чем у свинца. Фактически, объем хлопка, хотя и эквивалентен объему свинца, имеет значительно меньшую массу. Мы можем приписать разницу плотности между хлопком и свинцом к разнице в массе атомов, составляющих эти вещества.
Но такое допущение оказалось ошибочным. Удалось установить, что скромный спутник Сириуса — вовсе не угасающая звезда, а напротив, принадлежит к звёздам с высокой поверхностной температурой, гораздо более высокой, чем у нашего Солнца. Это совершенно меняет дело. Слабую яркость приходится, следовательно, приписать только малой величине поверхности этой звезды. Вычислено, что она посылает в 360 раз меньше света, чем Солнце; значит, поверхность её должна быть по крайней мере в 360 раз меньше солнечной, а радиус в j/360, т. е. в 19 раз, меньше солнечного. Отсюда заключаем, что объём спутника Сириуса должен составлять менее чем 6800-ю долю объёма Солнца, между тем как масса его составляет почти 0,8 массы дневного светила. Уже это одно говорит о большой уплотнённости вещества этой звезды. Более точный расчёт даёт для диаметра планеты всего 40 000 км, а следовательно, для плотности — то чудовищное число, которое мы привели в начале раздела: в 60 000 раз больше плотности воды.
Пробка плавает в воде, потому что, если мы измеряем ее общую массу и сравниваем ее с массой воды, соответствующей ее объему, мы увидим, что общая масса пробки меньше общей массы воды, соответствующей объему пробки. То есть плотность воды больше, чем плотность пробки.
Другим хорошим примером является лед, который плавает в жидкой воде. Однако оба они образованы одним и тем же веществом: водой. Когда он замерзает, вода, в отличие от всех других веществ, оставляет пространства между своими атомными кластерами. Тогда масса, соответствующая объему льда, меньше массы, соответствующей тому же объему воды в жидком состоянии.
«Навострите уши, физики: замышляется вторжение в вашу область», — приходят на память слова Кеплера, сказанные им, правда, по другому поводу. Действительно, ничего подобного не мог представить себе до сих пор ни один физик. В обычных условиях столь значительное уплотнение совершенно немыслимо, так как промежутки между нормальными атомами в твёрдых телах слишком малы, чтобы допустимо было сколько-нибудь заметное сжатие их вещества. Иначе обстоит дело в случае «изувеченных» атомов, утративших те электроны, которые кружились вокруг ядер. Потеря электронов уменьшает поперечник атома в несколько тысяч раз, почти не уменьшая его веса; обнажённое ядро меньше нормального атома примерно во столько раз, во сколько муха меньше крупного здания. Сдвигаемые чудовищным давлением, господствующим в недрах звёздного шара, эти уменьшенные атомы-ядра могут сблизиться в тысячи раз теснее, чем нормальные атомы, и создать вещество той неслыханной плотности, какая обнаружена на спутнике Сириуса.
С помощью этой информации мы можем понять течения ветра, которые образуются при дифференциальном нагреве воздушных масс. Если мы подумаем о коробке одного кубического метра холодного воздуха и сравним ее с тем же кубическим метром нагретого воздуха, мы заметим, что в последнем есть меньшее количество атомных кластеров, поскольку их атомные кластеры движутся с большей скоростью и находятся дальше друг от друга других.
То есть, поскольку он менее плотный, чем холодный воздух, теплый воздух поднимается, оставляя пустоты под ним. Они будут заняты более прохладным, более плотным, нисходящим воздухом. Конвективные токи, образованные разностью температур и, следовательно, плотности, образуются между массами того же объема, одного и того же вещества, воздуха.
После сказанного не будет казаться невероятным открытие звезды, средняя плотность вещества которой ещё в 500 раз больше, чем у вещества упомянутой ранее звезды Сириус В. Мы говорим о небольшой звёздочке 13-й величины в созвездии Кассиопеи, открытой в конце 1935 г. Будучи по объёму не больше Марса и в восемь раз меньше земного шара, звезда эта обладает массой, почти втрое превышающей массу нашего Солнца (точнее, в 2,8 раза). В обычных единицах средняя плотность её вещества выражается числом 36 000 000 г/см3. Это означает, что 1 см3 такого вещества весил бы на Земле 36 т. Вещество это, следовательно, плотнее золота почти в 2 миллиона раз.
Конвекционные токи также возникают в веществах в жидком состоянии. Когда мы нагреваем кастрюлю с водой непосредственно в огне, в устье печи, мы можем воспринимать движение масс воды с дифференциальным нагревом. Если мы помещаем какое-либо вещество в твердое состояние, которое не растворяется в воде, мы будем наблюдать, что вещество поднимается с массой воды, которая нагревалась и опускалась с массой воды, которая была ранее в верхней части контейнера.
Но если вы сделаете этот эксперимент, возьмите две меры предосторожности: во-первых, чтобы не гореть; а во-вторых, не касаться термометра в используемом контейнере, потому что таким образом вы будете измерять температуру контейнера, а не массу воды. Вы уже видели, что плотность пробки меньше, чем плотность воды, и поэтому она плавает. Но как может корабль из стали поплавать, если сталь намного плотнее воды?
Немного лет назад учёные, конечно, считали бы немыслимым существование вещества в миллионы раз плотнее платины. Бездны мироздания скрывают, вероятно, ещё немало подобных диковинок природы.
Осмий на сегодня определён как самое тяжёлое вещество на планете. Всего один кубический сантиметр этого вещества весит 22.6 грамма. Он был открыт в 1804 году английским химиком Смитсоном Теннантом, при растворении золота в После в пробирке остался осадок. Это произошло из-за особенности осмия, он нерастворим в щелочах и кислотах.
Чтобы понять, что происходит в этой ситуации, давайте использовать очень простой и простой в использовании эксперимент, для которого необходим стакан воды и кусок моделирующей глины. Если вы сделаете мяч с модельным тестом и поместите его в стакан, он погрузится в воду. Однако, если вы откроете глину и поместите ее на поверхность воды, она будет плавать.
Когда модельная глина была открыта, общая масса этого тела распределялась по большей поверхности. Сила связи между молекулами воды, называемая поверхностным натяжением, не была нарушена, поэтому можно было поддерживать ту же массу, что и раньше, концентрироваться, погружаться. Когда мы концентрируем массу на небольшой сфере, сила, оказываемая телом на поверхности воды будет сосредоточена в одной области и сможет преодолеть поверхностное натяжение воды.
Самый тяжёлый элемент на планете
Представляет собой голубовато-белый металлический порошок. В природе встречается в виде семи изотопов, шесть из них стабильны и один неустойчив. По плотности немного превосходит иридий, который имеет плотность 22,4 грамма на кубический сантиметр. Из обнаруженных на сегодня материалов, самое тяжёлое вещество в мире - это осмий. Он относится к группе таких как лантан, иттрий, скандий и других лантаноидов.
Ресенде, Сауло Роберио Родригес Майя. Почему пенопласт плавает в луже воды? Почему карандаш погружается в миску с водой? Почему губка сначала плавает, а затем тонет? Это вопросы, связанные с плотностью любого объекта и связанные с жидкостью, в которую он помещается, чтобы плавать или погружаться.
Плотность - это соотношение между массой данного материала и объемом, который занимает этот материал, т.е. плотность определяет количество вещества, которое присутствует в единице объема. Например, если мы поместим объект с массой 200 грамм и занимаем площадь 150 см 2, ячейка, например, внутри бассейна с водой, она будет тонуть, а объем смещенной им воды будет равен ее масса. Плотность можно рассчитать по следующей формуле и выражена в граммах на кубический сантиметр, что соответствует объему дислоцированной воды.
Дороже золота и алмазов
Добывается его очень мало, порядка десяти тысяч килограмм в год. Даже в наиболее большом источнике осмия, Джезказганском месторождении, содержится порядка трёх десятимиллионных долей. Биржевая стоимость редкого металла в мире достигает порядка 200 тысяч долларов за один грамм. При этом максимальная чистота элемента в процессе очистки около семидесяти процентов.
Хотя в российских лабораториях удалось получить чистоту 90,4 процента, но количество металла не превышало нескольких миллиграмм.
Каждое вещество имеет определенную плотность, и одно вещество может быть более плотным или менее плотным, чем другое. Это означает, что в данном объеме свинца больше материи, чем тот же объем алюминия. Или, если два объекта из разных материалов одинакового размера имеют разные веса, это означает, что один из большего веса будет иметь больше материала или материала, чем меньший вес.
Плотность помогает нам характеризовать вещество. Когда дело доходит до жидких веществ, менее плотное вещество будет находиться выше более плотного вещества, например, воды и масла. Но различие в плотности этих двух веществ легко воспринимается, потому что масло не растворимо или смешивается с водой.
Плотность материи за пределами планеты Земля
Осмий, бесспорно, является лидером самых тяжёлых элементов нашей планеты. Но если мы обратим свой взор в космос, то нашему вниманию откроется множество веществ более тяжёлых, чем наш «король» тяжёлых элементов.
Дело в том, что во Вселенной существуют условия несколько другие, чем на Земле. Гравитация ряда настолько велика, что вещество неимоверно уплотняется.
Всегда, когда речь идет о растворимости субъекта, существует подтверждение того, что «подобное растворяет подобное», то есть полярное вещество имеет тенденцию растворяться в полярном растворителе, а аполярное вещество имеет тенденцию растворяться в неполярном растворителе. Таким образом, легко понять, почему неорганические вещества, такие как соли и кислоты, хорошо растворяются в воде или потому, что спирт и вода смешиваются необратимо, так как после их смешивания мы больше не можем их воспринимать отдельно, только с глазами, как с маслом и водой.
Если рассмотреть структуру атома, то обнаружится, что расстояния в межатомном мире чем-то напоминают видимый нами космос. Где планеты, звезды и прочие находятся на достаточно большой дистанции. Остальное же занимает пустота. Именно такую структуру имеют атомы, и при сильной гравитации эта дистанция достаточно сильно уменьшается. Вплоть до «вдавливания» одних элементарных частиц в другие.
Все соли кислотные и полярные. Напротив, органические вещества очень хорошо растворяются в неполярных растворителях, таких как парафин в бензине или керосиновых маслах. И именно по этой причине вода и масло не смешиваются. Рисунок 1: Различные жидкости разных цветов, показывающие их плотность и объекты, такие как мрамор. Чем выше жидкость, тем ниже ее плотность. Чем больше плотность, тем больше жидкость или объект опускается.
1º Поместите в банку сироп из кукурузы или меда. Осторожно добавьте небольшое количество воды, содержащей несколько капель красителя, капающих по бокам бутылки. 3º Добавьте такое же количество растительного масла над водой с красителем. Аккуратно добавьте спирт, содержащий несколько капель красителя поверх масла. Примечание: будьте осторожны с порядком добавления жидкостей, так как масло не смешивается с водой. Поэтому порядок добавления жидкостей важен, чтобы они не смешивались. Сироп может растворяться в воде, однако процесс протекает очень медленно.
Нейтронные звезды - сверхплотные объекты космоса
В поисках за пределами нашей Земли мы сможем обнаружить самое тяжёлое вещество в космосе на нейтронных звёздах.
Это достаточно уникальные космические обитатели, один из возможных типов эволюции звёзд. Диаметр таких объектов составляет от 10 до 200 километров, при массе равной нашему Солнцу или в 2-3 раза больше.
Однако алкоголь не смешивается с водой, так как они разделены масляным слоем. Жидкости помещали в порядке убывания их плотности, причем кукурузный сироп имел самый большой и самый низкий уровень плотности всех жидкостей. Объекты будут плавать только в жидкости, плотность которой больше вашей.
Супернатант, появившийся недавно в Большом адронном коллайдере, является самой плотной формой материи, которая когда-либо наблюдалась, ученые объявили в мае. Известный как кварк-глюонная плазма, он является изначальным состоянием материи. То есть: вскоре после Большого Взрыва вселенная была полностью сделана из него.
Это космическое тело в основном состоит из нейтронной сердцевины, которая состоит из текучих нейтронов. Хотя по некоторым предположениям учёных она должна находиться в твёрдом состоянии, достоверной информации на сегодня не существует. Однако известно, что именно нейтронные звезды, достигая своего передела сжатия, впоследствии превращаются в с колоссальным выбросом энергии, порядка 10 43 -10 45 джоулей.
Чтобы воссоздать его, ученые бросали свинцовые ионы друг на друга вблизи скорости света. Как само название говорит, что плазменный кварк-глюон сделан из кварков и глюонов. Ученые полагают, что это превратилось в материю, как мы ее знаем сегодня, когда Вселенная остыла.
Например, ученые уже подтвердили, что две версии плазмы ведут себя как идеальные жидкости с практически нулевым трением. Если вы пошевелите чашкой чая ложкой, а затем вытащите ее, жидкость немного пошевелится, а затем остановится. На самом деле трудно определить фиксированный выбор для самых сильных материалов в мире. Это зависит от типа силы, о которой идет речь, будь то силовое натяжение. Или просто чистое сопротивление, как в способности не ломаться. Предел усилия растяжения - это точка, в которой материал начинает деформироваться.
Плотность такой звезды сравнима, к примеру, с весом горы Эверест, помещённой в спичечный коробок. Это сотни миллиардов тонн в одном кубическом миллиметре. К примеру, чтобы стало более понятно, насколько велика плотность вещества, возьмём нашу планету с её массой 5,9×1024 кг и «превратим» в нейтронную звезду.
В результате, чтобы сравнялась с плотностью нейтронной звезды, её нужно уменьшить до размеров обычного яблока, диаметром 7-10 сантиметров. Плотность уникальных звёздных объектов увеличивается с перемещением к центру.
Слои и плотность вещества
Наружный слой звезды представлен собой в виде магнитосферы. Непосредственно под ней плотность вещества уже достигает порядка одной тонны на сантиметр кубический. Учитывая наши знания о Земле, на данный момент, это самое тяжёлое вещество из обнаруженных элементов. Но не спешите с выводами.
Продолжим наши исследования уникальных звёзд. Их называют также пульсарами, из-за высокой скорости вращения вокруг своей оси. Этот показатель у различных объектов колеблется от нескольких десятков до сотен оборотов в секунду.
Проследуем далее в изучении сверхплотных космических тел. Затем следует слой, который имеет характеристики металла, но, скорее всего, он похож по поведению и структуре. Кристаллы намного меньше, чем мы видим в кристаллической решётке Земных веществ. Чтобы выстроить линию из кристаллов в 1 сантиметр, понадобится выложить более 10 миллиардов элементов. Плотность в этом слое в один миллион раз выше, чем в наружном. Это не самое тяжёлое вещество звезды. Далее следует слой, богатый нейтронами, плотность которого в тысячу раз превышает предыдущий.
Ядро нейтронной звезды и его плотность
Ниже находится ядро, именно здесь плотность достигает своего максимума - в два раза выше, чем вышележащий слой. Вещество ядра небесного тела состоит из всех известных физике элементарных частиц. На этом мы достигли конца путешествия к ядру звезды в поисках самого тяжёлого вещества в космосе.
Миссия в поисках уникальных по плотности веществ во Вселенной, казалось бы, завершена. Но космос полон загадок и неоткрытых явлений, звёзд, фактов и закономерностей.
Чёрные дыры во Вселенной
Следует обратить внимание, на то, что сегодня уже открыто. Это чёрные дыры. Возможно, именно эти загадочные объекты могут быть претендентами на то, что самое тяжёлое вещество во Вселенной - их составляющая. Обратите внимание, что гравитация чёрных дыр настолько велика, что свет не может её покинуть.
По предположениям учёных, вещество, затянутое в область пространства времени, уплотняется настолько, что пространства между элементарными частицами не остаётся.
К сожалению, за горизонтом событий (так называется граница, где свет и любой объект, под действием сил гравитации, не может покинуть чёрную дыру) следуют наши догадки и косвенные предположения, основанные на выбросах потоков частиц.
Ряд учёных предполагают, что за горизонтом событий смешиваются пространство и время. Существует мнение, что они могут являться «проходом» в другую Вселенную. Возможно, это соответствует истине, хотя вполне возможно, что за этими пределами открывается другое пространство с совершенно новыми законами. Область, где время поменяется «местом» с пространством. Местонахождение будущего и прошлого определяется всего лишь выбором следования. Подобно нашему выбору идти направо или налево.
Потенциально допустимо, что во Вселенной существуют цивилизации, которые освоили путешествия во времени через чёрные дыры. Возможно, в будущем люди с планеты Земля откроют тайну путешествий сквозь время.