Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Можно представить нейтронную звезду как яйцо, пусть и сферическое, со скорлупой, белком и желтком. Твердая кристаллическая кора толщиной примерно в один километр состоит из ядер железа – того же материала, который накопился в ядре родительской звезды еще до ее взрыва как сверхновой.

Почему кора железная? Потому что образование железа – конечный этап термоядерного горения: в обычных звездах тысячи и тысячи лет водород горит и превращается в гелий, гелий – в углерод и так далее. В конечном итоге образуется кремний и “звездная зола” – железо. Получить больше энергии из железного ядра родительской звезды уже невозможно, из-за этого и возникло предположение, что первый внешний слой нейтронной звезды состоит из железа. Над этой корой находится тонкий слой – от нескольких миллиметров до примерно метра – газовой атмосферы, движение которой управляется магнитным полем звезды. Магнитосфера начинается чуть выше атмосферы, и именно эти магнитные поля во вращающихся пульсарах выталкивают в космос струи частиц и, соответственно, мощные потоки излучения.

Кора нейтронной звезды – чрезвычайно сложная структура. По мере того, как мы движемся в направлении ядра звезды, вместе с быстро увеличивающейся плотностью изменяются физические свойства коры. Во внешней коре, состоящей из кристаллов железа, электроны ведут себя привычным для нас образом: в каждом атоме железа они вращаются вокруг ядра. Однако по мере увеличения плотности энергия электронов растет – и они “вдавливаются” в протоны. Когда отрицательно заряженный электрон соединяется с положительно заряженным протоном, протон превращается в нейтрон, высвобождая нейтрино, – и чем больше мы углубляемся внутрь звезды, тем больше электронов вдавливается в ядра и тем больше там оказывается нейтронов. Этот процесс продолжается вплоть до точки, ниже которой в ядрах оказывается так много нейтронов, что они начинают “вытекать” из ядер. Этот переход из внешней коры во внутреннюю и называется “точкой нейтронной неустойчивости”, ниже которой свободные нейтроны начинают образовывать пары, составляющие нейтронную сверхтекучую жидкость с нулевой вязкостью. Это вытекание нейтронов происходит на глубине более трехсот метров при плотности около 4×1011г/см3, которая все еще меньше, чем плотность внутри тяжелых атомных ядер, измеренная в земных условиях. Благодаря лабораторным экспериментам на Земле только что описанные предположения основаны на хорошо изученных законах ядерной физики. (Только вот выдавливания нейтронов из тяжелых атомных ядер на Земле не происходит – в земных ядрах недостаточно нейтронов, чтобы началось их вытекание8.)

В самой внутренней части коры, прямо над внешним ядром, плотность составляет около одной трети от плотности в центре атомного ядра. Ядра там прижаты так близко друг к другу, что, по мнению ученых, их форма не может оставаться прежней – и начинает меняться. Если до этого ядра были круглы, как фрикадельки, и разбросаны по всему пространству, то во внутренней части коры они деформированы и плавают в море из вытекших нейтронов. Это фазовое состояние, прозванное учеными “ядерной лапшой”, в котором образуются различные структуры – трубочки, пузыри и листы с соответствующими названиями: “спагетти”, “клецки-ньокки” и “лазанья”. Конечно, это в основном гипотезы теоретиков, поскольку мы не можем взять пробы вещества и исследовать их, но есть очень хорошие экспериментальные доказательства деления ядер в земных условиях – и этот механизм похож на тот, который ведет к образованию “ядерной лапши”.

Во внешнем ядре, которое простирается на глубину около девяти километров, плотность настолько высока, что изолированные ядра больше существовать не могут. Все вещество превращается в ядерную “слизь”, “суп” из нейтронов, протонов, электронов и, возможно, мюонов (тяжелых родственников электронов), а нейтроны находятся в сверхтекучем состоянии, аналогично сверхтекучим жидкостям при сверхнизких температурах на Земле. Хотя во внешнем ядре температура, по-видимому, составляет миллионы градусов, из-за столь высокой плотности и в этих условиях возможно достижение сверхтекучего состояния9.

Гипотеза Гордона Бейма и его коллег о механизме сбоя периода вращения пульсара Вела позволила физикам предложить механизм происходящего во внешнем ядре. Проводя свои эксперименты со сверхтекучим гелием, ученые поняли, что их идеи о квантовых вихрях были правильными и что сверхтекучие жидкости текут не так, как любая обычная жидкость, а образуют крошечные вихри, которые делают возможным вращение сверхтекучей жидкости. Считается, что по мере того, как нейтронная звезда начинает вращаться со временем все медленнее и медленнее, скорости вращения твердых и жидких компонентов звезды изменяются по-разному: вращение внешней коры, по-видимому, замедляется быстрее, а вихри все еще продолжают свое собственное локальное вращение. Это приводит к тому, что сверхтекучая компонента будет вращаться немного быстрее, чем кора, и возникнет рассогласование во вращении двух систем. Когда отставание во вращении внешней коры становится слишком большим, вихри начинают “подпрыгивать”, пытаясь перестроить свое вращение, что мгновенно заставляет кору крутиться быстрее – и вращение всей звезды на время ускоряется.

В этом и заключается идея того, как возникает глитч, который впервые наблюдал Дик Манчестер в 1969 году. Через некоторое время, может быть, спустя недели или даже месяцы, сверхтекучая система возвращается в равновесное состояние, и нейтронная звезда опять начинает вращаться с нормальной скоростью, которая наблюдалась перед сбоем. Подобный сбой заметили только у 5 % пульсаров. Особенно интересен пульсар Вела, потому что он сбоит примерно раз в три года. Когда я посетила обсерваторию Parkes в феврале 2019 года, Джон Саркисян с гордостью сказал мне, что он наблюдал еще один глитч пульсара Вела всего за несколько дней до этого, 2 февраля. Этот глитч, как и еще один, случившийся 12 декабря 2016 года, был особенно интересен для астрономов, поскольку в данных наблюдений они обнаружили, что непосредственно перед сбоем пульсар внезапно замедлился. Раньше никогда этот эффект не наблюдался10.

По мере того как мы приближаемся к центру нейтронной звезды, все вокруг становится все более странным и менее определенным. Ученые не имеют абсолютно никакого представления о том, что происходит во внутреннем ядре нейтронной звезды и какой вид сверхплотной материи мы можем там обнаружить. Если бы мы когда-нибудь это узнали, то могли бы понять характер сил, посредством которых частицы могут взаимодействовать при таких плотностях. Это также помогло бы нам определить предельную массу нейтронной звезды в тот момент, когда сила гравитации сравняется с внутренним давлением, затем превысит его и превратит нейтронную звезду в черную дыру. Наконец, мы могли бы понять, что происходит в последние мгновения перед слиянием нейтронных звезд. Но как нам забраться внутрь нейтронной звезды?..

Открытие пульсаров объединило две области физики, которые развивались параллельно: ядерную физику и астрофизику (использовавшую радио-, оптические и самые первые рентгеновские наблюдения, которые быстро стали ключевым инструментом для обнаружения теплового излучения от поверхности пульсаров). В том же году, когда был открыт первый пульсар, то есть в 1967-м, физики-ядерщики из Стэнфордского центра линейных ускорителей начали работу, которая несколько лет спустя завершилась прорывом – экспериментальным открытием кварков. Кварки – это фундаментальные строительные блоки вещества. Обычно тройки кварков удерживаются вместе с помощью глюонов – “склеивающих” переносчиков сильного ядерного взаимодействия. Из этих триплетов кварков образуются кирпичики обычной материи, например барионы в атомах: протоны и нейтроны. Сами по себе кварки в свободном состоянии существовать не могут, поэтому сегодня мы имеем дело с кварками исключительно внутри барионов. Подтверждение их существования побудило физиков использовать весь свой творческий потенциал, чтобы придумать различные модели сверхплотной материи, находящейся во внутреннем ядре нейтронных звезд11. Некоторые ученые считают, что внутреннее ядро состоит в основном из нейтронов, которые остались неповрежденными даже в условиях высокой плотности. Но эта модель, как говорит Славко Богданов, астрофизик из Колумбийского университета, “самая стандартная и скучная. Ничего необычного не происходит, это все то же вещество – просто нейтроны, электроны и протоны все вместе зажаты в крошечном пространстве”.