Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

сверххолодного гелия в ванну через крошечный зазор в 0,5 микрона между двумя стеклянными дисками (средний диаметр человеческого волоса – 75 микрон). Он обнаружил, что при температуре ниже 2,17 кельвина (это -270,98 градуса Цельсия, что всего на 2,17 градуса выше абсолютного нуля) – эта температура получила название “лямбда-точка” – жидкость течет почти без трения. Работа, посвященная этому явлению, была опубликована в журнале Nature 8 января 1938 года и привлекла внимание ученых всего мира. “Гелий ниже лямбда-точки переходит в особое состояние, которое можно назвать «сверхтекучим»”, – написал Капица в своей статье, таким образом дав явлению название6. Ландау, освобожденный из тюрьмы в 1939 году, использовал результаты эксперимента Капицы для создания на их основе теории, объясняющей сверхтекучесть.

Бейм и его коллеги знали работы Капицы и Ландау. Они также знали работу Мигдала о том, что из-за огромной плотности нейтронных звезд их ядра могут находиться в сверхтекучем состоянии. И они только что узнали об обнаружении первых четырех нейтронных звезд, которые сразу сделали эти объекты абсолютно реальными7.

Когда Бейм, Петик, Пайне, Равенхолл и еще один их коллега, Мэл Рудерман, узнали больше о пульсарах, а затем прочитали об открытии Манчестером сбоя в периоде пульсара Вела, их осенило, что глитч, возможно, будет первым доказательством правильности предположения Мигдала. Вероятно, в ядрах этих недавно обнаруженных, быстро вращающихся нейтронных звезд под твердой корой пряталась сверхтекучая жидкость, и сбой могли вызвать возникающие в сверхтекучей жидкости крошечные водовороты, называемые квантовыми вихрями. Существование квантовых вихрей было предсказано физиком Ларсом Онзагером в 1947 году при изучении сверхтекучего гелия, а затем эту теорию развили нобелевский лауреат Фил Андерсон и физик-теоретик Ричард Паккард. “Мы вдохнули жизнь в гипотезу вихрей”, – говорит Бейм.

Получилось так, что эта идея стала первой гипотезой, подкрепленной наблюдениями, в весьма странной физике нейтронных звезд. За пять десятилетий, прошедших с тех пор, ученым так и не удалось решить вопрос о том, что происходит внутри этих сверхплотных объектов. Мы не можем долететь до какого-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 нейтронных звезд, настолько экстремальны, что нашим моделям сложно его объяснить. Но то, что мы узнали к настоящему времени, уже поразительно.

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.

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,