Путешествие в глубь нейтронной звезды

Путешествие в глубь нейтронной звезды

Ядро взорвавшейся звезды превращается обычно в черную дыру или нейтронную звезду. Последняя – поистине рай небесный для физиков. Ни в одной лаборатории мира нельзя воссоздать условия, царящие здесь.

Прежде всего, поражает плотность этой крохотной звезды. Вещество в ней сжато сильнее, чем в атомном ядре. Так что нейтронная звезда диаметром около 20 километров оказывается в 1,4–3 раза массивнее нашего Солнца. Это означает, что чайная ложка звездной пыли будет весить около миллиарда тонн – больше, чем все люди, населяющие нашу планету, вместе взятые.

Сила притяжения на поверхности нейтронной звезды так велика, что та представляет собой идеальный шар. Если здесь и можно найти какие-то неровности, то их высота – не более миллиметра. Толщина твердой коры, по результатам наблюдений, не превышает полутора километров. Верхний ее слой состоит из железа, погруженного в своего рода океан из электронов.

Слой железа очень тонок. Всего в нескольких метрах от поверхности нейтронной звезды ее плотность резко возрастает. Там теснятся экзотические атомные ядра, которые на Земле можно получить разве что на новейших ускорителях. Пример тому – такой элемент, как никель-78. Если в стабильном атоме никеля его ядро содержит от 58 до 64 протонов и нейтронов, то радиоактивный никель-78 содержит по меньшей мере на 14 нейтронов больше. Период полураспада подобного элемента в лабораторных условиях составляет 110 миллисекунд. А вот в коре нейтронной звезды ввиду царящего здесь громадного давления атомные ядра никеля-78 пребывают в стабильном состоянии.

Строение нейтронной звезды

Но продолжим путешествие в глубь нейтронной звезды. Когда плотность в ее коре достигает 400 тысяч тонн на кубический сантиметр, условия резко меняются. Теперь для нейтронов, с энергетической точки зрения, выгоднее находиться вне атомных ядер. Они «просачиваются» сквозь ядра и образуют зоны, состоящие из так называемой «нейтронной жидкости».

Наконец, когда плотность в недрах звезды достигает 150 миллионов тонн на кубический сантиметр, кора нейтронной звезды заканчивается. Все атомные ядра распадаются на свои составные части. В этом месиве из элементарных частиц нейтроны находятся в явном изобилии. Поэтому, когда звезда остынет, в ее недрах может наблюдаться такое явление, как нейтронная сверхпроводимость. Этот феномен аналогичен, например, низкотемпературной сверхпроводимости гелия. Для него характерно полное отсутствие потерь на трение.

Итак, по своему строению нейтронная звезда напоминает скорее планету земного типа, нежели звезду. Она покрыта твердой корой, под которой простирается обширная жидкая зона. Впрочем, четкой границы между этими двумя областями нет. Мощное магнитное поле связывает их.

На этом аналогии между нейтронной звездой и планетами заканчиваются, поскольку астрономы мало что знают о том, что происходит в ее недрах на глубине всего в несколько километров, когда плотность превысит в 10 раз плотность атомного ядра. Ведь даже на самых современных ускорителях при столкновении атомных ядер не удается достичь подобной плотности. По некоторым гипотезам, там пребывают в свободном состоянии кварки. А может быть, там находятся какие-то не известные пока науке элементарные частицы?

В 1931 году существование звезд, состоящих из нейтронов, предсказал советский физик Лев Давидович Ландау. Двумя годами позже к тому же предположению пришли немецкие астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, работавшие в США. Более трех десятилетий нейтронные звезды оставались любимым коньком физиков-теоретиков. Никто не предполагал, что их в самом деле можно наблюдать.

Все изменилось в 1967 году. Сотрудники Кембриджского университета Энтони Хьюиш, ставший позднее лауреатом Нобелевской премии по физике, и его аспирантка Джоселин Белл обратили внимание на странный пульсирующий радиоисточник. Сигнал повторялся через каждые 1,337 секунды. Точность повторения была феноменальной. Как оказалось, Хьюиш и Белл впервые зафиксировали излучение нейтронной звезды. Эти регулярные импульсы были вызваны эффектом, который до открытия первого пульсара теоретики упустили из виду.

Все дело в том, что характеристики магнитных полей таких экзотических объектов, как нейтронные звезды, просто поразительны. Во время коллапса сверхновой звезды ее магнитное поле невероятно сжимается и потому усиливается. Его напряженность возрастает в триллионы раз по сравнению с напряженностью магнитного поля Земли. Под действием этого мощного поля электроны, находящиеся на поверхности нейтронной звезды, разгоняются до скоростей, близких к световой, и устремляются в околозвездное пространство, испуская излучение по направлению своего движения. Ну а поскольку электроны перемещаются только вдоль силовых линий магнитного поля, излучение представляет собой два узких пучка электромагнитных волн. Когда такой пучок достигает Земли, радиоастрономы фиксируют сигнал. Он напоминает сигнальный огонь маяка и попадает в поле зрения наблюдателя лишь через определенные, очень короткие промежутки времени, поскольку звезда вращается. Правда, наши наземные радиоантенны могут уловить это излучение лишь в том случае, если оно направлено точно в сторону Земли. Только тогда мы сумеем заметить этот «маяк».

Наблюдая за ним, астрономы словно ощущают пульс далекого небесного тела – пульсара. Пульс очень быстрый. Период вращения пульсаров исчисляется сотыми, а то и тысячными долями секунды. Рекорд составляет 716 оборотов в секунду. Если бы мы могли увидеть нейтронную звезду невооруженным глазом, мы даже не заметили бы, что она вращается, – мы своим зрением не может различить столь быстрых движений. Лишь приборы помогают нам изучать эти экзотические небесные тела.

По оценкам астрономов, только в нашей Галактике расположено около миллиарда нейтронных звезд, но в большинстве своем они пока еще не обнаружены.

В 2006 году американские астрономы открыли в созвездии Малой Медведицы особенно редкостный экземпляр нейтронной звезды. Ученые окрестили ее «Кальверой» – именем злодея из памятного вестерна «Великолепная семерка». Это так называемая изолированная нейтронная звезда. Как правило, эти мрачные карлики составляют пару с какой-либо звездой, которую постепенно пожирают.

До сих пор было обнаружено лишь семь нейтронных звезд, остававшихся в полном одиночестве. Эти объекты очень молоды – им менее миллиона лет. Некоторые из них можно заметить даже в оптическом диапазоне. Они очень слабо светятся, и разглядеть их можно только потому, что они находятся сравнительно недалеко от Солнечной системы.

Странно даже расположение Кальверы – она пребывает над плоскостью галактического диска, на расстоянии всего 250—1000 световых лет от нашей Земли (оценить его удалось лишь приблизительно). В любом случае, это ближайшая к нам нейтронная звезда. Впрочем, как полагает один из авторов открытия, Дерек Фокс, «таких звезд, как она, могут быть десятки». Не они ли каждые сто миллионов лет подвергают нашу планету страшной бомбардировке?

…Мир пульсаров поистине причудлив и богат неожиданностями. Время открытий здесь далеко не завершено. Так, в 1992 году у одного из пульсаров была обнаружена своя планетная система – две большие планеты размером с Юпитер и одна поменьше. Еще более сенсационным оказалось открытие в 1998 году совершенно нового класса пульсаров (и нейтронных звезд вообще) – так называемых «магнитаров».