Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Москвич Катя

Так что же вызвало глитч? Обе команды предположили, что внезапно уменьшился момент инерции пульсара. Значение этой характеристики, равной среднему значению массы, умноженному на квадрат радиуса, показывает, как распределена масса внутри тела. В случае с пульсаром Вела, очевидно, изменился радиус пульсара – но как это могло случиться?3 Этот сбой стал загадкой, а человек, сумевший пролить на нее некоторый свет, даже не знал об открытии пульсара Джоселин Белл. Фактически это событие полностью прошло мимо него. Этим человеком был Гордон Бейм из Университета Иллинойса, который в 1968 году работал приглашенным профессором в Токийском университете. Чтобы как-то скоротать время в ежедневных поездках на метро через весь город из дома в офис и обратно, он по дороге читал книгу советского астрофизика Иосифа Шкловского “Вселенная, жизнь, разум”. Бейм занимался физикой конденсированных сред, но книга Шкловского пробудила в нем интерес к астрофизике. Когда через несколько месяцев Бейм вернулся в Иллинойс и узнал о пульсарах, он вместе со своими коллегами Дэвидом Пайнсом, Крисом Петиком и Джо Равенхоллом погрузился в изучение нейтронных звезд.

Они были теоретиками и поэтому хотели досконально разобраться в этих новых объектах и выяснить, из чего те могут состоять. Интересовались они ими не в последнюю очередь потому, что изучали поведение частиц и таких явлений, как сверхтекучесть и плотная форма материи, а эти недавно открытые нейтронные звезды оказались настолько плотными, насколько это вообще возможно. Вскоре Бейм наткнется на статью Радхакришнана и Манчестера, описывающую глитч пульсара Вела.

До сенсационного открытия Джоселин Белл нейтронные звезды изучали всего несколько человек. Возможно, кто-то вспомнит, что в 1939 году Оппенгеймер и Волков вычислили верхний предел массы нейтронных звезд – 0,7 солнечной массы. Как показали наблюдения, проведенные десятилетия спустя, он оказался слишком заниженным, и в статье 1959 года физик-теоретик Аластер Кэмерон увеличил значение предельной массы до двух масс Солнца. Этими работами почти все и исчерпывалось – в то время немногие исследователи интересовались объектами, которые, казалось, никогда не будут обнаружены4.

Советский физик Аркадий Мигдал рассуждал не так. Он специализировался на изучении плотной материи, особенно ядер атомов, и был первым, кто предположил, что атомное ядро – это крошечный аналог нейтронной звезды. Оба объекта невероятно плотны, то есть вещество в них сжато в очень маленьком пространстве, более того, считается, что плотность нейтронной звезды более чем вдвое превосходит плотность ядра. Но, в то время как в атоме вся масса сосредоточена в центре, а электроны образуют облако вокруг него, в нейтронной звезде, как предполагается, атомы коллапсировали, что, по предположению Мигдала, сделанному им еще в 1959 году, должно привести к странному состоянию, известному как сверхтекучесть.

Сверхтекучесть – это, пожалуй, самое удивительное состояние, в котором могут пребывать очень маленькие объекты, описываемые квантовой механикой. Обычно, если нет других сил, течение любой жидкости неизбежно замедляется – и она останавливается из-за трения. Например, когда вы проливаете воду на кухонный стол, она останавливается уже через считаное число секунд. Но сверхтекучая жидкость будет течь вечно. Как это происходит? В обычных условиях протоны и нейтроны (вместе их еще называют нуклонами) – большие индивидуалисты и стремятся по возможности избегать друг друга. Однако при достаточно низких температурах они образуют пары. Они начинают вести себя слаженно, маршируют в унисон, как солдаты, и находятся в одном и том же квантовом состоянии. Такое происходит только с некоторыми атомами и только тогда, когда они охлаждены почти до абсолютного нуля. Коллективное квантовое поведение позволяет сверхтекучей жидкости течь без трения и даже взбираться вверх по стенам5.

Все это оставалось чистой теорией до 1937 года. В тот год советский физик Петр Капица (позже он убедит Сталина освободить из тюрьмы Льва Ландау) работал с гелием, охлаждая его, чтобы посмотреть, что с ним произойдет. Несколькими годами ранее Капица работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже с Эрнестом Резерфордом, куда приехал после того, как потерял жену и двоих детей во время эпидемии испанки в России. Когда он летом 1934 года ненадолго приехал из Англии в Россию, чтобы навестить мать и принять участие в симпозиуме, ему, не объясняя причин, не разрешили вернуться в Англию. Резерфорд попытался облегчить участь Капицы и прислал криогенное оборудование из Кембриджа, что позволило организовать в Москве новый институт – Институт физических проблем. Однажды в 1937 году Капица наблюдал за протеканием сверххолодного гелия в ванну через крошечный зазор в 0,5 микрона между двумя стеклянными дисками (средний диаметр человеческого волоса – 75 микрон). Он обнаружил, что при температуре ниже 2,17 кельвина (это -270,98 градуса Цельсия, что всего на 2,17 градуса выше абсолютного нуля) – эта температура получила название “лямбда-точка” – жидкость течет почти без трения. Работа, посвященная этому явлению, была опубликована в журнале Nature 8 января 1938 года и привлекла внимание ученых всего мира. “Гелий ниже лямбда-точки переходит в особое состояние, которое можно назвать «сверхтекучим»”, – написал Капица в своей статье, таким образом дав явлению название6. Ландау, освобожденный из тюрьмы в 1939 году, использовал результаты эксперимента Капицы для создания на их основе теории, объясняющей сверхтекучесть.

Бейм и его коллеги знали работы Капицы и Ландау. Они также знали работу Мигдала о том, что из-за огромной плотности нейтронных звезд их ядра могут находиться в сверхтекучем состоянии. И они только что узнали об обнаружении первых четырех нейтронных звезд, которые сразу сделали эти объекты абсолютно реальными7.

Когда Бейм, Петик, Пайне, Равенхолл и еще один их коллега, Мэл Рудерман, узнали больше о пульсарах, а затем прочитали об открытии Манчестером сбоя в периоде пульсара Вела, их осенило, что глитч, возможно, будет первым доказательством правильности предположения Мигдала. Вероятно, в ядрах этих недавно обнаруженных, быстро вращающихся нейтронных звезд под твердой корой пряталась сверхтекучая жидкость, и сбой могли вызвать возникающие в сверхтекучей жидкости крошечные водовороты, называемые квантовыми вихрями. Существование квантовых вихрей было предсказано физиком Ларсом Онзагером в 1947 году при изучении сверхтекучего гелия, а затем эту теорию развили нобелевский лауреат Фил Андерсон и физик-теоретик Ричард Паккард. “Мы вдохнули жизнь в гипотезу вихрей”, – говорит Бейм.

Получилось так, что эта идея стала первой гипотезой, подкрепленной наблюдениями, в весьма странной физике нейтронных звезд. За пять десятилетий, прошедших с тех пор, ученым так и не удалось решить вопрос о том, что происходит внутри этих сверхплотных объектов. Мы не можем долететь до какого-нибудь из них, просверлить дырку и посмотреть, что там внутри. То, что будет рассказано дальше, является уже не научной фантастикой, но еще и не совсем научными фактами. Проблема в том, что физические условия, определяющие поведение вещества внутри нейтронных звезд, настолько экстремальны, что нашим моделям сложно его объяснить. Но то, что мы узнали к настоящему времени, уже поразительно.

Когда протон-нейтронная звезда только рождается из сверхновой, она невероятно горячая – внутренняя температура достигает тысячи миллиардов градусов. Всего через минуту протоны внутри нее начинают превращаться в нейтроны, выбрасывая огромное количество нейтрино. Когда нейтрино улетают, они уносят энергию, при этом недра звезды быстро остывают примерно до миллиарда градусов, причем ее внешний слой становится намного холоднее, и когда его температура достигает примерно полумиллиона градусов, начинает формироваться твердая кора. В течение следующих нескольких десятилетий нейтронная звезда продолжает остывать, температура ее внутренней части падает до нескольких сотен миллионов градусов, и звезда продолжает медленно терять тепло еще в течение нескольких сотен тысяч лет. При этом тепло изнутри медленно поднимается к поверхности, а потом рассеивается в виде излучения.