Ученым так и не удалось решить вопрос о том, что происходит внутри нейтронных звезд. Мы не можем долететь до какой-нибудь из них, просверлить дырку и посмотреть, что там внутри. То, что будет рассказано дальше, является уже не научной фантастикой, но еще и не совсем научными фактами. Проблема в том, что физические условия, определяющие поведение вещества внутри этих сверхплотных объектов, настолько экстремальны, что нашим моделям сложно его объяснить. Но то, что мы узнали к настоящему времени, уже поразительно.
Как возникает нейтронная звезда (схема вверху слева): когда массивная звезда (1) израсходовала все ядерное топливо, происходит коллапс ее плотного ядра (2), его атомы сжимаются гравитацией, электроны вдавливаются в протоны – образуются нейтроны и нейтрино (3), затем на ядро со скоростью в четверть световой обрушаются внешние слои звезды (4), энергия коллапсирующего ядра отбрасывает внешнюю оболочку – происходит взрыв сверхновой (5), и остается голое сверхплотное ядро, состоящее почти полностью из нейтронов (6), – это и есть нейтронная звезда, один из самых плотных объектов во Вселенной (уступает только черной дыре). Чайная ложка вещества нейтронной звезды на Земле весила бы 4 млрд тонн. Иллюстрация: How It Works.
Когда протон-нейтронная звезда только рождается из сверхновой, она невероятно горячая – внутренняя температура достигает тысячи миллиардов градусов. Всего через минуту протоны внутри нее начинают превращаться в нейтроны, выбрасывая огромное количество нейтрино. Когда нейтрино улетают, они уносят энергию, при этом недра звезды быстро остывают примерно до миллиарда градусов, причем ее внешний слой становится намного холоднее, и когда его температура достигает примерно полумиллиона градусов, начинает формироваться твердая кора. В течение следующих нескольких десятилетий нейтронная звезда продолжает остывать, температура ее внутренней части падает до нескольких сотен миллионов градусов, и звезда продолжает медленно терять тепло еще в течение нескольких сотен тысяч лет. При этом тепло изнутри медленно поднимается к поверхности, а потом рассеивается в виде излучения.
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. [Пульсарами являются большинство из примерно трех тысяч известных нейтронных звезд; некоторые нейтронные звезды являются магнетарами – их известно три десятка; есть еще одновременно и пульсары, и магнетары – их счет идет на единицы. – Прим. Батрах.]
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 4×1011 г/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 вытекание .)
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 состояния.
Проводя эксперименты со сверхтекучим гелием, ученые поняли, 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. 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.
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 звезд.
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».
В других моделях предполагается, что нейтроны не сохраняются в прежнем виде, а распадаются на составляющие их кварки, в результате чего ядро превращается в «суп», состоящий из свободных кварков. Это модель кваркового ядра. Другая гипотеза состоит в том, что кварки, освобожденные от связей внутри нейтронов, перегруппировываются и образуют другие, более экзотические конфигурации, например гипероны. Это частицы, в которых одна [или две. – Прим. Батрах.] из трех кварковых частиц, образующих нейтрон, меняется на так называемый странный кварк (нормальные протоны и нейтроны образуются из гораздо более обычных, так называемых верхних и нижних кварков). Еще одно предположение состоит в том, что большое давление приводит к образованию каонов (частиц, состоящих из двух кварков, один из которых странный) или, может быть, еще чего-то совершенно иного. Существующие теории, описывающие поведение кварков и ядер, такие как квантовая хромодинамика, полезны, но, к сожалению, распространить ее аппарат на довольно холодные и сверхплотные среды настолько сложно, что у нас пока нет методологии, позволяющей применить этот аппарат для получения ответов на наши вопросы.
Чтобы решить эту головоломку, ученые обратились к так называемому уравнению состояния для внутреннего ядра, описывающему соотношение между плотностью энергии и давлением вещества во внутреннем ядре, откуда получается соотношение между массой и радиусом нейтронной звезды. Существует множество таких соотношений, и построено большое количество моделей того, что может происходить во внутреннем ядре в зависимости от массы и радиуса. Разные виды вещества реагируют на гравитационное сжатие по-разному. Представим, что внутреннее ядро – шарик. Он может быть либо плотным, твердым, как бейсбольный мяч, который трудно сжать, либо мягким, податливым, как надувной. Эти два мяча ведут себя по-разному, поскольку сделаны из разного материала. Из двух нейтронных звезд одинаковой массы в большей из них, имеющей больший радиус, будет более плотное ядро: поскольку сама звезда больше, гравитация будет сжимать вещество сильнее, поэтому ядро должно суметь противостоять большему давлению, иначе звезда сколлапсирует в черную дыру. Ядро, похожее на бейсбольный мяч, может выстоять. А вот если у звезды с той же массой ядро менее плотное или «мягкое» и легко сжимается под действием гравитации, она должна быть меньшего размера, чтобы суметь противодействовать гравитационному сжатию.
Некоторые ученые думают, что нейтронные звезды с твердым ядром (которое описывается «жестким» уравнением состояния), скорее всего, содержат недеформированные нейтроны, только очень плотно упакованные. Звезды меньших размеров с более рыхлым ядром (описываемые «мягким» уравнением состояния) могут содержать свободные кварки в различных конфигурациях, не в последнюю очередь из-за того, что процессы образования гиперонов и каонов из свободных кварков в разных конфигурациях также ведут к понижению давления. Но этот вопрос в большой степени является дискуссионным.
Вас также могут заинтересовать статьи:
Когда Вселенная вспузырится
Невероятное путешествие на хламе через Тихий океан
Смерть с небес: спагеттификация
Комментарии: