Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Грядущие открытия

Выше мы обещали пофантазировать, какие же еще Нобелевские премии могут быть вручены за исследования нейтронных звезд. Наверное, первая и самая вероятная – это премия за гравитационные волны. Они были предсказаны Общей теорией относительности. Косвенно мы знаем, что они существуют, но очень важно поймать гравитационные волны напрямую с помощью лабораторной установки. Лучший способ это сделать – наблюдать один из самых грандиозных процессов в природе. Слияние двух нейтронных звезд.

Чтобы получить гравитационно-волновой всплеск большой мощности, потенциально детектируемый современными антеннами, надо начать с массивной двойной звезды. Звезды поочередно взрываются. Каждая порождает нейтронную звезду, и система при этом выживает. В конце концов эти нейтронные звезды сольются, потихонечку сближаясь из-за излучения гравитационных волн. Финальный аккорд – буквально падение нейтронной звезды на нейтронную звезду. Оно сопровождается выделением огромной энергии и в виде гравитационных и электромагнитных волн.

Это должно быть очень интересно наблюдать. Кроме того, это очень важно для фундаментальной физики. Поэтому уже построено несколько специальных гравитационно-волновых антенн. Чтобы представить себе, насколько это существенно, можно вспомнить вот что. Когда американцы планировали постройку своих антенн LIGO, одновременно планировался сверхпроводящий суперколлайдер, который должен был бы быть построен в Техасе. Его целью было открыть бозон Хиггса. Потом возникла необходимость сокращения научных бюджетов, и нужно было закрывать какой-то крупный проект. Так вот, фактически научное сообщество выбрало гравитационные волны вместо бозона Хиггса (конечно, коллайдер намного дороже гравитационно-волновой антенны, тем не менее при стоимости более полумиллиарда долларов LIGO – это самый дорогой проект, финансировавшийся Национальным научным фондом, NSF, и в 1993 году проект гравитационных антенн был под угрозой закрытия). На фоне огромной популярности бозона Хиггса в наши дни это должно показывать, что есть вещи, по крайней мере по мнению части ученых, настолько же важные, как и этот самый бозон.

Возможно, еще одна Нобелевская премия будет когда-нибудь вручена за определение свойств вещества в недрах нейтронных звезд. Из чего состоят нейтронные звезды в самой сердцевине – это действительно один из самых больших вопросов в ядерной физике. Для ответа на него у астрономов есть интересный способ.

Снова представьте, что мы берем какой-то кусок вещества и начинаем его сжимать. Как мы можем это сделать? Скажем, можем взять нейтронную звезду и тихонечко кидать на нее вещество. Она будет становиться все массивнее, будет сама на себя сильнее давить, поджиматься, и плотность в центре будет расти. Мы не можем это делать бесконечно. В какой-то момент плотность достигнет критической, и вещество перестанет сопротивляться гравитации. Наша нейтронная звезда схлопнется в черную дыру. Если мы узнаем, когда это происходит, т. е. узнаем, какими могут быть самые массивные нейтронные звезды, то, по сути, мы ответим на этот важный вопрос в ядерной физике, связанный с поведением вещества при высокой плотности.

Как это сделать? Конечно, было бы здо́рово наблюдать какой-нибудь рентгеновский источник с нейтронной звездой, видеть периодически меняющееся излучение с поверхности нейтронной звезды, и вдруг «хоп!» – она исчезнет. Источник, может быть, и останется рентгеновским источником, останется аккреционный диск, но выглядеть он будет уже совсем по-другому (например, исчезнут пульсации рентгеновского излучения, возникающие из-за вращения нейтронной звезды), потому что там будет черная дыра.

Это было бы потрясающе, но застать сам момент превращений крайне маловероятно (может быть, нам помогут наблюдения слияния нейтронных звезд: в редких случаях они могут заканчиваться образованием черной дыры). Поэтому можно пойти другим путем, как обычно. Например, можно просто искать все более и более массивные нейтронные звезды. Это перспективное направление исследований, и астрономы, изучающие двойные радиопульсары, именно этой дорогой и идут. Здесь, правда, многое будет зависеть от везения.

Более надежный способ получить данные о поведении вещества в недрах компактных объектов – это одновременно очень точно измерить для какой-нибудь нейтронной звезды массу и ее размер. Для этого сейчас создаются специальные космические проекты. Один из новых приборов будет установлен на Международной космической станции, другие планируется запустить как отдельные спутники. Возможно, астрономам удастся решить эту загадку – из чего же состоят нейтронные звезды. И, таким образом, заработать Нобелевскую премию по физике.

Нобелевская медаль

Послесловие

Писать книгу о нейтронных звездах сложно не только потому, что эта тема связана со сложной физикой. Это еще и очень быстро развивающаяся часть астрофизики: постоянно появляются новые данные. За ними трудно уследить, но о них очень хочется рассказать. Наверное, какие-то прогнозы, о которых шла речь в книге, сейчас, когда вы держите ее в руках и уже заканчиваете чтение, не сбылись, а упомянутые гипотезы и модели оказались отброшенными. Надеюсь, что немногие.

Поток астрономических новостей очень велик. В месяц выходит более 1000 оригинальных астрономических статей. К счастью, по каждой тематике исследований периодически появляются хорошие обзоры разного уровня сложности (от совсем популярных до доступных лишь узким специалистам в данной области), позволяющие быть в теме. Конечно, подавляющее большинство оригинальных статей и обзоров публикуются на английском языке, поскольку это язык международного общения в современных естественных науках, позволяющий создать единое пространство научного дискурса без потери (не переведенной) информации и без задержек (и издержек) на работу переводчиков. Если языковой барьер для вас не преграда, то вы всегда сможете найти огромное количество информации в Архиве электронных препринтов на сайте arxiv.org, включая вполне доступные обзоры основных результатов и нерешенных проблем в различных областях науки. Сейчас в архиве доступно уже более миллиона статей, из них около 100 000 по астрофизике.

Чтобы не утонуть в этом море информации, можно воспользоваться моими обзорами астрофизической части архива. Они доступны по адресу http://xray.sai.msu.ru/~polar/sci_rev/current.html. Например, если вас интересуют современные данные по какому-то классу нейтронных звезд и то, как они вписываются в общую картину астрофизических знаний, то вы сразу идете в раздел «Нейтронные звезды» и ищете обзоры, которые там специально выделены. Это позволит вам быть в курсе самых свежих научных результатов на высоком уровне. А кроме того, вы можете посмотреть списки и краткое изложение работ, которые сильнее всего привлекли мое внимание. На основе этих обзоров в начале января я делаю сводку самых интересных астрофизических статей за прошедший год. Их можно найти, например, в разделе «Наука» портала gazeta.ru.

На русском языке лучший источник свежих научных обзоров по физике и астрофизике – журнал «Успехи физических наук» (ufn.ru). Есть там и большое количество статей по компактным объектам, их эволюции и ее моделированию, аккреции и т. д. Наиболее полный сейчас вводный курс астрофизики на русском языке, рассчитанный в первую очередь на студентов-физиков, – книга «Общая астрофизика» Анатолия Засова и Константина Постнова. Популярным курсом астрономии может служить четырехтомник под редакцией Владимира Сурдина («Небо и телескоп», «Солнечная система», «Звезды», «Галактики»).

Безусловно, много полезной информации можно почерпнуть в Интернете. На мой взгляд, всегда важно обращать внимание на источник. Наибольшее доверие (в любой области) у меня вызывают статьи и лекции активных ученых, рассказывающих о близкой им области исследований (а вот ситуация, когда, пусть даже хороший, врач пишет об основах квантовой механики, вызывает здоровое подозрение). С этой точки зрения подборка материалов на сайтах «ПостНаука» и Элементы.ру станет прекрасным началом для знакомства, поскольку оба проекта тщательно отбирают своих авторов и спикеров.

Однако практика показывает, что для получения на русском языке свежей научной информации в популярном виде, важно не только читать книги или сидеть в Интернете, но и ходить на лекции действующих (sic!) ученых и задавать вопросы. Благо, популярных лекций сейчас проводится много. Поэтому обратите внимание на различные лектории и не пропускайте фестивали науки. При непосредственном общении удается лучше разобраться во всяких тонкостях и хитросплетениях.