Нейтронные звёзды состоят из спагетти и ячменных зёрен

Основные представления о нейтронных звёздах можно найти и в популярной литературе и в учебниках. Ещё не чёрная дыра, но плотность колоссальная — намного выше плотности атомных ядер. А что внутри? Последователи различных теорий спорят об этом уже два десятка лет. Но, может быть, скоро их споры прекратятся.

 

 

Один из самых активных исследователей нейтронных звёзд — Норман Гленденнинг (Norman Glendenning) из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) — увлёкся ими ещё в 1980-х. И сейчас его давние и современные идеи служат предметом ожесточённых дискуссий.

Некогда на одном из ускорителей Беркли (Bevalac) учёные получали на короткие мгновения состояние вещества с плотностью втрое выше ядерной, но даже этого было мало, чтобы адекватно воспроизвести внутренность нейтронной звезды, где плотность материи намного-намного выше.

При размерах в 10-20 километров их масса столь велика, что сила тяжести на поверхности в 100 миллиардов раз больше, чем тяготение на поверхности Земли. Это тяготение оказывается больше, чем внутриядерные силы, так что в центре звезды материя превращается… Во что?

Во что именно — остаётся предметом теоретических споров, которые, правда, несколько разбавляются анализом наблюдений реальных нейтронных звёзд, но об этом позже.

Интересно, что вопреки распространённому среди неспециалистов представлению нейтронные звезды не состоят исключительно из нейтронов.

Хотя их общий заряд нейтрален, там можно найти и протоны, и электроны, и множество других частиц. "Начинка" такой звезды далеко не однородна — на разных её глубинах существует разное давление и разное строение. А ведь ещё на всю эту "кухню" сильно влияет скорость вращения нашего объекта.

Норман Гленденнинг размышляет о нейтронных звёздах двадцать лет (фото с сайта lbl.gov).

Вот как выглядит экскурсия внутрь нейтронной звезды. Перемещаясь к центру, мы увидим, что по мере увеличения плотности материя сжимается так, что в некоторый момент кварки, составляющие так называемые элементарные частицы, становятся освобождёнными.

Тут необходимо отступление — в отношении кварков применяют термин confinement — заключение, что подразумевает: кварки всегда находятся внутри частиц, которые они составляют, и наблюдать их "по отдельности" принципиально невозможно.

Но нет правил без исключения. В центре нейтронных звёзд, говорят физики, нет даже нейтронов — лишь сплошной "суп" свободных кварков, с добавкой глюонов (вообще-то, эти частицы являются "клеем" для кварков внутри ядерных частиц).

При этом большинство теоретиков полагает, что переход этот, от обычной материи к кварковой, происходит по мере нашего мысленного продвижения вглубь звезды — в один момент, словно граница льдом сверху и водой внизу — на замёрзшем озере. Вот с ними и спорит наш герой, предлагая картину куда более сложную.

Дело в том, что когда вода замерзает, меняется только одно — расположение и взаимодействие её молекул. В нейтронной звезде мы можем увидеть самые разнообразные, пересекающиеся изменения: и электрических зарядов, и так называемого барионного числа и прочее, и прочее.

Фазовые переходы в таком случае — очень сложны. Поскольку нет прямой связи между двумя упомянутыми свойствами материи. Так, нейтрон имеет положительное барионное число, но нулевой электрический заряд. Верхний и нижний кварк имеют одинаковое барионное число (плюс 1/3), но электрический заряд первого — плюс 2/3, а второго минус 1/3.

Гленденнинг считает, что из-за этой системы переходов по двум параметрам материя в нейтронной звезде существует не только в чистых, но и в так называемых смешанных фазах, где присутствуют и элементарные частицы, и свободные кварки.

При этом в определённых слоях внутри нейтронной звезды поддерживается превращение материи, напоминающее кипение супа: протоны превращаются в нейтроны, кварки разных типов превращаются друг в друга и так далее.

А всё вместе создаёт удивительные структуры и поддерживает их в равновесии.

На энной глубине адронный слой (своего рода кристалл) содержит лишь немного свободных кварков, которые вплетены в него, как капельки жидкой воды в сплошной лёд.

Глубже "капельки" кварков удлиняются к "прутам", ещё глубже они сливаются в "плиты" (как слоёное тесто, перемежаемое начинкой).

Адроны же, наоборот, глубже представляют "плиты", потом "стержни", потом — редкие "капельки".

Наконец, в самой глубине мы видим чистый набор свободных кварков и ничего больше.

А вот во внешних слоях мы видим те самые нейтроны, которым изучаемая нами звезда обязана своему названию, а самый же внешний (тонкий) слой составляют ионы.

	Внутренности нейтронной звезды по Гленденнингу (иллюстрация с сайта lbl.gov).

Американский физик подобрал "гастрономические" образы к этим странным слоям — ячмень, спагетти, лазанья.

Отлично. Но есть ли способ хоть как-то проверить картину учёного экспериментально? Это непросто, но подход уже найден.

Ещё в 1970-х физики обнаружили, что если с огромной скоростью закрутить вокруг своей оси ядра редкоземельных элементов (а такое вращение им можно придать в ряде экспериментов на ускорителях), то будет наблюдаться странный эффект: время от времени вращение ядра резко замедляется, а потом вновь ускоряется без видимой причины.

Возможное объяснение — быстрое вращение создаёт силы, способные кратковременно разорвать связи между отдельными протонами или нейтронами. Это меняет момент инерции ядра.

Гленденнинг полагает, что нечто похожее может происходить и с нейтронной звездой — бурные взаимные превращения ряда частиц-адронов и кварков могут влиять на её вращение.

А его-то мы можем фиксировать, благодаря радиоволнам, испускаемым вращающейся нейтронной звездой с сильным магнитным полем. Так маяк посылает свой луч по кругу (это те самые пульсары, за которыми давно наблюдают астрономы).

Как нейтронная звезда может менять своё вращение? Например, захватывая материю от обычной звезды-спутника. Так нейтронная звезда ускоряется.

Но тогда давление в её недрах падает (из-за центробежных сил), а значит — перемещаются вглубь границы тех самых фазовых переходов, где нормальная материя превращается в кварковую.

Последней становится меньше, момент инерции всей звезды увеличивается, и она вновь замедляется.

Два процесса способные тормозить (на переднем плане) или ускорять (на заднем плане) вращение нейтронной звезды (иллюстрация с сайта lbl.gov).

Другой случай наблюдаем, когда ось магнитного поля нейтронной звезды не совпадает с её осью вращения. Возникает торможение. Ведь энергия уходит с электромагнитным излучением.

Пульсар постепенно вращается всё медленнее, что увеличивает давление в его "интерьере", тогда кварковая материя начинает формироваться в его центре и наращиваться, наращиваться…

А поскольку кварковая материя чрезвычайно плотна, она, напротив, ускоряет своё вращение (как конькобежец, сводящий руки вместе), постепенно увлекая и внешние слои, и разгоняя вновь всю звезду в целом.

Что же выходит? Существует саморегулирующийся механизм, не позволяющий нейтронной звезде вращаться слишком быстро и слишком медленно. А значит, достаточно старые нейтронные звёзды должны "тяготеть" к какой-то средней частоте вращения (что зависит, конечно, и от их массы).

При этом оба процесса могут и сочетаться, да ещё при их расчётах нужно учитывать релятивистские эффекты, возникающие при сверхсильном тяготении.

И всё же это явление, полагает Гленденнинг, можно попытаться отследить по статистике распределения частот вращения пульсаров на примере достаточно большого их "населения".

Действительно, однажды анализ каталога рентгеновских пульсаров показал такой "пик", но позже результат дезавуировали какими-то пересчётами.

По большому счёту, учёным не хватает нейтронных звёзд. В смысле, слишком мало ещё собрано статистики по самым разным нейтронным звёздам, чтобы делать далеко идущие выводы. Во всяком случае — в данном вопросе.

Сейчас астрономы обдумывают и пробуют новые виды наблюдений, которые позволят вычислять массу и радиус нейтронных звёзд. Скоро информации об одних из самых загадочных объектов Вселенной должно прибавиться. Тогда, может быть, мы узнаем — прав ли мистер Гленденнинг.

Статья получена: Membrana.ru