Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Поскольку во многих уравнениях состояния предполагалось существование свободных кварков в различных комбинациях, Бейм задался вопросом, возможно ли разбить нейтроны и высвободить кварки, а после этого изучить полученный “суп”, который может быть максимально приближенным к веществу внутреннего ядра. Похожие условия существовали во Вселенной всего через несколько миллионных долей секунды после Большого взрыва, когда еще не сформировались протоны и нейтроны. Тогда эта ранняя Вселенная представляла собой кварк-глюонную плазму – этакий “суп” из странных частиц.

У Бейма и других теоретиков – включая Джеймса Бьёркена и Ларри Маклеррана – имелись идеи насчет того, как на Земле получить свободные кварки. Они считали, что лучший способ – столкнуть лоб в лоб тяжелые ионы, такие как ядра свинца или золота, разогнав их предварительно в ускорителях частиц до высоких скоростей. При этом очень чувствительные детекторы смогли бы точно засечь момент, когда возникают свободные кварки, образующие плазму. Даже если бы кварки, перед тем как опять слипнуться в нуклоны, просуществовали в свободном состоянии долю секунды, мы могли бы получить представление о природе возможной материи внутри ядра нейтронной звезды.

Для этого Бейму и его коллегам понадобился ускоритель. К счастью, им помог в этом один неудачный и почти забытый проект.

Это было в 1982 году, и Бейм только что получил назначение в Консультационный комитет по ядерной физике – исполнительный орган, составляющий отчеты для министерства энергетики и Национального научного фонда Соединенных Штатов. Комитет обсуждал, какую установку в области ядерной физики следует профинансировать в первую очередь, а Бейм в это время возглавлял подкомитет по будущим исследованиям плотной материи. И в июле 1983 года “случилось чудо”, по крайней мере, с точки зрения Бейма.

С тех пор как ускоритель ISABELLE начал строиться, прошло уже больше десяти лет, и тут ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке поняли, что магниты для этого строящегося ускорителя протонов высоких энергий не способны производить нужное магнитное поле. (Название ISABELLE – аббревиатура Intersecting Storage Accelerator и belle, то есть “ускоритель на встречных пучках” плюс французское слово “красавица”. Кроме того, как рассказал мне Бейм, Isabelle — это название яхты, принадлежащей Джону Блюэтту, специалисту в области ускорителей из Брукхейвенской лаборатории.)

И тогда вместо завершения проекта ISABELLE ученые решили пролоббировать строительство более мощного ускорителя – Сверхпроводящего суперколлайдера (и этот проект закрыт в 1993 году). Поскольку в ЦЕРН в то время уже был запущен альтернативный проект Большого адронного коллайдера (LHC) на франко-швейцарской границе, ученые законсервировали проект ISABELLE, хотя на него уже потратили двести миллионов долларов14.

Для Бейма было очевидно, как нужно поступить в этой ситуации, и вместо презентации на тему предполагаемых исследований плотной материи, которую он собирался продемонстрировать, он представил свои предложения по поводу размещения в уже готовом тоннеле другого типа коллайдера, использующего тяжелые ионы. Все строительство, кроме установки магнитов, уже завершилось, и он с группой коллег предложил воспользоваться этой чудесной возможностью и все-таки построить ускоритель в Брукхейвене. Вот так он неожиданно начал обдумывать строительство ускорителя. Бейм находился в сильном возбуждении. Он рассказывал: “Я ходил и всем рассказывал, что RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, «релятивистский коллайдер тяжелых ионов») даст нам возможность понять природу материи, существовавшей в ранней Вселенной до того, как сформировались звезды и планеты, то есть кварковой материи. И еще я говорил, что RHIC расскажет многое о нейтронных звездах”. И в результате на свет появился релятивистский коллайдер тяжелых ионов.

Прошли годы, и оба ускорителя – RHIC и LHC – наконец построили. Результаты с LHC начали поступать только в 2000 году, в том же году на RHIC стали сталкивать первые пучки. На LHC сталкивались ионы свинца, и при их столкновениях были достигнуты рекордно высокие температуры в 5,5 триллиона градусов – почти в четыреста тысяч раз выше температуры в центре Солнца. А на коллайдере RHIC сталкивались друг с другом ионы золота. Когда в 2003 году Бейм узнал, что на RHIC получена кварк-глюонная плазма (LHC вскоре догнал в этом брукхейвенский ускоритель), он пришел в восторг. Позже он говорил: “В каком-то смысле мы всегда знали, что она должна была здесь образоваться”.

Представить себе эту совершенно новую материю, которую ученые смогли произвести, достаточно трудно. Попробуйте мысленно разделить секунду на 1023 кадров. Вещество, которое вы получили, то есть кварк-глюонная плазма, будет существовать в течение всего лишь одного кадра в количестве столь малом, что оно может поместиться внутри вируса, 10-23 секунды – это максимальное время, в течение которого кварки могут оставаться свободными. После этого они быстро слипаются обратно в протоны, нейтроны, мезоны и другие частицы.

Но есть одна проблема: температура в ядре нейтронной звезды намного ниже той, при которой происходят столкновения в коллайдерах RHIC и LHC, – близкой, наоборот, к температуре, существовавшей сразу после Большого взрыва. Бейм с самого начала знал, что ни на одном из этих коллайдеров никогда не получить таких температур, как в ядре нейтронной звезды, то есть гораздо более низких, необходимых для возникновения сверхтекучести. Он говорит: “Вы просто не сможете увидеть сверхтекучесть в экспериментах с тяжелыми ионами”. И продолжает, вздохнув:

“Температура – это огромная проблема”. И поэтому ученым остается только попытаться экстраполировать свои результаты на более низкие температуры. В каком-то смысле это похоже на то, как если бы вы изучали свойства пара, пытаясь вывести из них свойства льда. Но все же то, что мы видим в результате столкновений, имеет много общего с материей нейтронной звезды в момент образования ее из сверхновой, пока новорожденная нейтронная звезда еще не успела остыть. И эти столкновения могут помочь ученым понять, что случается, когда две нейтронные звезды сталкиваются, поскольку их остаток, образовавшийся после ужасающего взрыва, действительно невероятно горячий.

Вдобавок к LHC и RHIC сейчас в Дармштадте (Германия) строится новый ускоритель, названный FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), в котором предполагается создать кварк-глюонную плазму при той же температуре, что существует в ядре нейтронной звезды. Начиная с 2024 года[22] в экспериментах со сжатой барионной материей (СБМ) на этом ускорителе будут сталкивать ядра при высоких энергиях, прижимая их друг к другу, для того чтобы в очень маленьком объеме образовалась очень плотная материя – файербол, “огненный шар”. И этот файербол взорвется, а в результате взрыва появится около тысячи частиц, которые распадутся на электроны, позитроны и мюоны. Этот проект направлен на изучение мюонов, поскольку они не подвержены сильному взаимодействию, которое удерживает кварки вместе, и это может дать ключ к пониманию поведения ядерной материи при таких высоких плотностях, как в ядрах нейтронных звезд15.

Однако в настоящий момент самое большее, что мы можем сделать с данными по столкновениям тяжелых ионов, – это экстраполировать их на низкие температуры, но, естественно, такой экстраполяции недостаточно для того, чтобы получить все ограничения, которые накладываются на величины, входящие в уравнения состояния, и исключить нерелевантные модели. Для этого нам необходимо знать плотность и давление, а следовательно, массу и радиус нейтронной звезды. Один способ измерить массу – хронометрирование пульсара. Хронометрированием пульсаров занимаются астрономы на многих радиотелескопах по всему миру, но самый лучший инструмент последнего поколения для хронометрирования пульсаров расположен в удаленном уголке на северо-западе ЮАР. И следующая моя поездка состоялась именно туда.