Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Нейтронная звезда может иметь радиус меньше, чем радиус такой последней устойчивой орбиты, т. е. диск также может не доходить до поверхности. Зато сама поверхность видна! Она твердая, и мы можем наблюдать ее, т. е. изучать плотную материю в сверхсильном гравитационном поле. Нейтронные звезды дают возможность изучать практически всю физику (электродинамику, гидродинамику, ядерную физику и т. д.) на фоне сильнейшей гравитации. И все это благодаря астрономическим наблюдениям, которые становятся все лучше. Ведь мы живем в счастливое время, когда каждые 10–20 лет можно получать инструменты во всех диапазонах спектра, превосходящие своих предшественников на порядок по всем параметрам. Кроме их стоимости: она остается примерно такой же. Более того, мы осваиваем все новые и новые методы наблюдений (гравволны, нейтрино). И пытаемся заглянуть в недра компактных объектов.

Аккреционные диски вокруг черных дыр с разным вращением. Диск вокруг невращающейся черной дыры обрывается на большем расстоянии. На рисунке не показан эффект искривления изображения диска, ставший известным благодаря фильму «Интерстеллар». Однако важно понимать, что на самом деле диск не искривлен, искаженным является только его изображение.

Сверхтекучие звезды

Другое очень важное для физиков свойство нейтронных звезд связано с высокой плотностью в их недрах. Там с веществом начинают происходить всякие удивительные вещи. Например, вещество, несмотря на высокую температуру (температура во внутренних слоях нейтронной звезды достигает порядка миллиарда градусов и даже выше!), может оказаться в сверхтекучем состоянии. Если в сверхтекучее состояние перешли протоны, то это вдобавок означает и сверхпроводимость. И у нас есть возможность наблюдать всякие интересные эффекты, связанные с этим.

Например, сверхтекучая жидкость вращается не так, как обычная. Если вы возьмете стакан со сверхтекучей жидкостью и начнете его крутить, то жидкость как целое вращаться не будет, а в жидкости возникнут квантованные вихри. Это, кстати, хорошо изучено в лабораториях. В Интернете можно посмотреть замечательные ролики, где показано, как возникают эти вихри. Нейтронная звезда работает в некотором смысле как такой стакан. Есть большая нейтронная звезда, у нее есть совсем не сверхтекучая кора плюс еще какие-то внутренние слои, содержащие заряженные частицы, которые связаны с корой. Такими частицами могут быть, например, те же самые протоны. Но вдобавок к этому в коре могут существовать сверхтекучие нейтроны. Тогда, с одной стороны, основная масса звезды вращается как единое целое, а с другой – сверхтекучая нейтронная жидкость внутри звезды крутится совсем по-другому: она образует внутри себя вихри. И вращательные свойства сверхтекучей жидкости и всего остального могут быть разными.

Волчок может прецессировать. Его ось вращения сама будет изменять направление в пространстве.

Нейтронная звезда постепенно замедляет свое вращение, потому что это замагниченный шарик. Из-за существования внешнего магнитного поля возникают токи, которые тормозят вращение нейтронной звезды. Звезда тормозится, а сверхтекучая жидкость еще ничего про это не знает, она (как умеет) крутится быстро. Но нельзя накапливать эту разницу в темпе вращения бесконечно. В конце концов, система квантовых сверхтекучих вихрей перестроится, скорости вращения выровняются, и что произойдет?.. Звезда уже крутится медленно, а жидкость пока еще крутится быстро. Если они выравнивают свои свойства, значит, жидкость передает свое вращение звезде. Мы будем видеть, как нейтронная звезда вдруг подкрутилась. Такие события наблюдаются и называются «глитчи». Это, по всей видимости, уникальная возможность изучать поведение сверхтекучих жидкостей в таком большом масштабе. Ведь у нас, конечно, нет возможности создать десятикилометровый стакан на Земле и привести в нем нейтроны в сверхтекучее состояние.

О глитчах мы уже упоминали в этой книге. Но есть еще один феномен, который пока мы обходили стороной. Это прецессия. Если взять волчок и закрутить его неточно вдоль оси симметрии, то он будет не только крутиться, но его ось будет совершать медленное периодическое движение (с периодом намного больше периода вращения) вокруг направления вращения.

Прецессирует ось Земли. Могут прецессировать и нейтронные звезды. Но тут есть одна проблема. Если в коре есть сверхтекучая нейтронная жидкость, то в ней есть вихри. И каждый такой вихрь работает как маленький гироскоп. То есть его ось очень трудно заставить изменить свое направление (поэтому гироскопы и используют в системах ориентации ракет и спутников). Прецессия хочет заставить вихри повернуться, а они сопротивляются. Это может привести к тому, что прецессия, аналогичная той, что мы видим у волчка, у нейтронных звезд наблюдаться не будет.

Наблюдения пока не могут внести решающую ясность. Изучая пару тысяч радиопульсаров, астрономы наткнулись всего лишь на пару случаев поведения, которое в принципе можно описать с помощью прецессии. Еще пара примеров есть в тесных двойных системах. Однако массового проявления прецессионного движения не видно. Теоретики продолжают пытаться разобраться в том, как эти данные можно совместить с нашим представлением о поведении сверхтекучих жидкостей в недрах компактных объектов.

Сверхплотное вещество

Другая интересная проблема (в смысле задача) связана с тем, что высокие плотности приводят к превращениям элементарных частиц. Грубо это можно сформулировать так: из чего состоит нейтронная звезда? Наивный ответ – из нейтронов. А это может быть совсем не так. Представьте, вы пришли в студенческую столовую, там написано «Котлета говяжья». Вы по простоте душевной думаете: «Ага, она сделана из говядины». Но не все так просто. Может и из говядины, а может – и нет, может – совсем чуть-чуть. Точно так же и с нейтронной звездой. Действительно, есть модели, где нейтронная звезда процентов на 80 действительно состоит из нейтронов – это самые старые консервативные модели. Но может быть, что нейтронов в нейтронной звезде процентов 20, может быть, 30, а все остальное – какие-то другие частицы, примерно как в той самой котлете. Происходит это потому, что при сжатии вещества – а в нейтронной звезде вещество сильно сжимается тяготением звезды; звезда сама на себя давит, и в ее центре плотность может превосходить плотность атомного ядра раз в 10 – начинаются всякие чудеса.

В лабораториях мы не можем подобраться к таким экстремальным параметрам. Самое большее, что мы можем сделать в лабораториях, – это разогнать ядро на ускорителе и ударить его о стенку или о другое летящее навстречу ядро. На короткое время у нас возникнет горячая, очень плотная среда. Но сделать холодную очень плотную среду да вдобавок еще и устойчивую, чтобы ее можно было детально изучать, в лаборатории невозможно. В нейтронных звездах это существует само собой.

В результате в недрах нейтронных звезд могут существовать довольно экзотические формы вещества. Самое экзотичное, наверное, кварковое. Все знают, что протоны и нейтроны – это не целые частицы, а составные. Они состоят из кварков – каждый из трех. Но выдернуть одиночный кварк из нейтрона или протона невозможно. Если вы все-таки попробуете, то вам придется затратить настолько много энергии, что появятся новые частицы: кварк и антикварк. Новый кварк останется в протоне или нейтроне, а антикварк прицепится к вытягиваемому вами кварку, образовав мезон – составную частицу. И поэтому в обычной ситуации свободных кварков не бывает. Но можно пойти совершенно от противного и начать протоны и нейтроны сдавливать. И тогда кварки, которые были заперты в индивидуальных хозяйствах нейтронов и протонов, при большом давлении вдруг станут свободными, образуется такой кварковый колхоз. Вот это и есть кварковое вещество. Это очень интересная гипотеза с интересными следствиями. По всей видимости, единственное место в природе, где такая любопытная штуковина может существовать, – это как раз недра нейтронных звезд.

Неземная электродинамика

Следующий интересный для физиков пункт связан с тем, что у нейтронных звезд очень сильные магнитные поля. Сильные – это в миллионы миллиардов раз больше, чем на Земле или на Солнце. Это действительно очень высокие значения. Снова, как с гравитацией и плотностью, в лабораториях мы такое получать не можем. Наша привычная электродинамика может вести себя там весьма необычно, могут происходить всякие интересные процессы, которые при низких магнитных полях (низкие – скажем, в миллиард раз больше, чем на Земле или на Солнце) не идут. А на нейтронных звездах с этим все в порядке, и это действительно можно наблюдать. Астрономы пытаются активно двигаться в этом направлении.