Большинство людей даже не слышали о таких объектах, кусочек вещества которых размером с мячик от пинг-понга весил бы более миллиарда тонн. Когда светило величиной в несколько солнечных масс умирает в результате взрывного процесса, называемого вспышкой сверхновой, оно превращается в нейтронную звезду со сверхплотным состоянием размером всего от 10 до 20 км. Название образующейся звезды связано с тем, что под действием силы тяжести протоны и электроны сливаются между собой и образуют нейтроны. На самом деле этот вопрос далёк от решения, поскольку астрономы никогда не наблюдали нейтронную звезду вблизи, и ни одна лаборатория в мире не может создать объект со столь чудовищной плотностью. В связи с этим внутренняя структура таких объектов является одной из величайших загадок в космосе. Они также представляют собой сильно гравитирующие объекты из известных форм материи. Если немного добавить массы, то нейтронные звёзды превратятся в чёрные дыры, которые являются по сути чисто искривлённым пространством.
Неизвестность внутри
В астрофизике существует несколько теорий о том, что происходит в недрах нейтронных звёзд. Согласно одной точке зрения, они в основном состоят из нейтронов и небольшого количества протонов. Иная идея постулирует распад в недрах звёзд этих элементарных частиц на кварки и глюоны. Так же допускают, что внутри таких звёзд возможно существование экзотического вещества, состоящего из гиперонов, образованных более тяжёлыми странными кварками. Каким же образом можно установить истинность этих концепций?
Несмотря на трудности учёные всё же добились определённого прогресса. В августе 2017 года исследователи впервые зарегистрировали гравитационные волны, представляющие собой колебания пространства-времени, вызванные столкновением двух нейтронных звёзд. Эти возмущения содержали информацию о массах и размерах звёзд непосредственно перед катастрофой, что позволило ввести некоторые ограничения на строение и состав нейтронных звёзд. Также в 2017 году были проведены наблюдения на Международной космической станции за пульсарами, быстро вращающимися нейтронными звёздами, испускающими благодаря мощным магнитным полям высокоэнергитические фотоны. Магнитное поле таких объектов столь велико, что если бы человек находился на расстоянии 20 км, то всё железо его гемоглобина исчезло бы в нейтронной звезде.
Структура загадочных объектов
Благодаря этим наблюдениям открылась перспектива понять, что же на самом деле находится внутри нейтронной звезды и разобраться с фундаментальными пределами материи и гравитации. В настоящее время физики предполагают, что масса нейтронных звёзд может колебаться от одной до двух с половиной солнечных масс. Нейтронная звезда по крайне мере содержит три слоя. Внешний слой состоит преимущественно из водорода и гелия толщиной от нескольких сантиметров до нескольких метров. Второй слой находится во внешней коре глубиной в километр и состоит из атомных ядер, расположенных в кристаллической структуре вместе с электронами и нейтронами. Третий, внутренний слой, в котором сконцентрирована основная масса звезды, является во многом загадочным. По мере продвижения к центру звезды количество нейтронов всё возрастает. В конце концов, во внутреннем ядре возникает гипотетический режим, при котором нейтроны накладываются и сжимаются, переходя в жидкость, состоящую из кварков. Одна из научных версий состоит в том, что кварки образуют сверхтекучую жидкость, не обладающую вязкостью, и однажды приведённая в движение, она уже никогда не остановится. Сжатие кварков может приводить к образованию «куперовских пар». Кварки являются фермионами, т.е. частицами, обладающими дробным полуцелым спином. Чувствуя родство с другими кварками, за счёт сжатия они могут образовывать «куперовские пары». Сами кварки, являясь фермионами, согласно принципу Паули не могут находиться в одном и том же состоянии. Между тем у бозонов нет таких ограничений и, соединяясь, образую пару, они приобретают величину спина либо ноль, либо другое целое число, проявляя иные свойства. В частности, они могут находиться в состоянии с наименьшей энергией и проявлять коллективное поведение. Когда это происходит пары кварков образуют сверхтекучую жидкость, что могут также делать и нейтроны, формируя сверхтекучую среду. Доказательством подобных предположений являются сбои во вращении звезды. Они возникают в отсутствии синхронизации между движением сверхтекучей среды и коры. Со временем вращение звезды замедляется, но сверхтекучая жидкость, движущаяся без трения, этого не делает.
Когда разница между скоростями становится слишком большой сверхтекучая жидкость передает угловой момент коре. «Это похоже на землетрясение», – говорит Латтимер. Вы получаете сбой и прилив энергии, в результате частота вращения увеличивается на короткое время, а затем снова снижается».
Кварковые взаимодействия
Изучив рентгеновское излучение пульсара в созвездии Кассиопеи, учёные из Национального университета Мексики нашли подтверждение этой гипотезы. Сверхтекучие странные кварки – это лишь одна из экзотических возможностей, ожидающих нас за таинственными дверями нейтронных звёзд. Также возможно, что они являются домом для редких «странных кварков».
Кварки бывают шести видов или ароматов – верхние, нижние, очарованные, странные, истинные и прелестные. В атомах встречаются только два самых лёгких элемента – верхний и нижний. Остальные ароматы настолько массивны и нестабильны, что обычно проявляются лишь как короткоживущие осколки высокоэнергетических частиц.
В сверхплотных недрах нейтронных звёзд верхний и нижний кварки могут превращаться в странные и связываться с другими кварками, создавая гипероны. Возможно также свободное состояние кварков, своего рода кварковый суп. Такие сценарии должны изменять размеры нейтронных звёзд, – отмечает Арзуманян, являющийся одним из главных исследователей и научным руководителем эксперимента NICER, целью которого является определение, какая из этих альтернатив верна. Для этих целей использовался прибор NICER, установленный снаружи Международной космической станции. Он регистрировал несколько десятков пульсаров и исходящее от них рентгеновское излучение. Если будет обнаружено, что звёзды, обладающие одинаковой массой, будут иметь разные размеры, то это свидетельствует о существовании разных вариантов их состояний. Согласно существующим предположениям считалось, что около половины нейтронной звезды может состоять из гиперонов и её масса не превышает массу Солнца в 1,5 раза. Между тем в 2010 году была обнаружена нейтронная звезда величиной в 1,97 солнечной массы. В результате расчётов физики пришли к выводу, что гипероны не могут превышать 10% от массы звезды.
Гравитационные волны
Особый подход к изучению природы нейтронных звёзд заключается в исследовании катастрофических процессов, связанных с их столкновением. Эти катастрофы сопровождаются вспышками гамма-излучения и возникновением гравитационных волн, своего рода ряби пространства-времени. В августе 2017 года были обнаружены гравитационные волны, возникшие в результате столкновения двух нейтронных звёзд. Две обсерватории по гравитационной интерферометрии: одна из них LIGO, расположенная в штатах Вашингтон и Луизиана, вторая – Virgo, находящаяся в Италии недалеко от Пизы, одновременно зафиксировали гравитационные волны, возникшие от слияния двух нейтронных звёзд, движущихся по спирали. До этого учёные никогда не наблюдали гравитационные возмущения, появляющиеся от столкновения нейтронных звёзд. Предыдущие регистрации гравитационных волн наблюдались только от столкновения чёрных дыр. Кроме этого, наряду с гравитационными возмущениями, телескопы одновременно зафиксировали свет, исходящий из того же места на небосклоне. Световые и гравитационные волны принесли обширную информацию о местоположении и о том, как произошла катастрофа на расстоянии 130 млн световых лет от Земли. Амплитуда и частота волн позволили произвести оценки столкнувшихся объектов. Каждый из них весил приблизительно 1,4 солнечных масс и имел радиус от 11 до 12 км до столкновения. Совершенствование детекторов гравитационных волн позволит в перспективе установить, что находится внутри нейтронной звезды. Характер гравитационных волн может быть различным в зависимости от состояния вещества в её недрах. Если вещество обладает низкой вязкостью или она вообще отсутствует, что характерно для сверхтекучести, то оно может течь по паттернам, называемым r-модами, которые испускают гравитационные волны.
Как отмечает Элфорд: «Эти гравитационные волны были бы намного слабее, чем при слиянии. Это материя, тихо плещущаяся, а не разорванная на части» В настоящее время даже усовершенствованный детектор LIGO не смог увидеть эти волны. Тем не менее надежды возлагаются на наземный европейский телескоп «Эйнштейн».
На пути к новым открытиям
Раскрытие тайн состояний нейтронных звёзд, кардинально отличающихся от атомов, составляющих макромир, раздвигает границы нашего познания. Это позволило превратить такие диковинные теоретические конструкции, как плещущаяся кварковая материя, сверхтекучие нейтроны и гиперонные звёзды в реальность. Изучение нейтронных звёзд позволило бы лучше понять природу ядерных взаимодействий и разгадать самую большую загадку – природу гравитации. Нейтронные звёзды представляют собой смесь ядерной физики и физики гравитации. Гравитация описывается в настоящее время теорией относительности Эйнштейна, но, как известно, она противоречит квантовой теории. Развитие науки приведёт к тому, что одна из двух теорий будет изменена, либо возникнет новая, устраняющая противоречия между ними.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы теме «Мир космоса и Мультивселенной»: