7777. Нейтронные звезды

[Серге́й Бори́сович Попо́в]

http://postnauka.ru/faq/5541
FAQ: Недра нейтронных звезд

7 фактов о самой плотной части уникальных астрономических объектов
09.10.2012

NASA's Marshall Space Flight Center

7 фактов о самой плотной части уникальных астрономических объектов
09.10.2012

Нейтронные звезды – это уникальные объекты, и многие считают, что самое интересное, что в них есть – это их недра. Иногда спрашивают, зачем вообще нужна астрономия, в чем её «народно-хозяйственное» значение? Основной ответ состоит в том, что астрономические объекты дают нам уникальный шанс исследовать вещество в экстремальных условиях, которые на Земле недоступны. А это всегда важно, поскольку если мы строим какую-то большую теорию, с совершенно понятным народно-хозяйственным выходом, например, электродинамику, мы хотим построить теорию, которая работала бы во всех параметрах.

Если мы хотим изучать очень сильные токи или очень сильные магнитные поля, нам нужно проверять предсказание теории, и единственный объект, где это можно делать, — нейтронные звезды. Так, если мы хотим иметь хорошую теорию гравитации, например, чтобы спутники по Солнечной системе летали так, как нам необходимо, нам надо в целом проверять эту теорию гравитации, искать какие-то экстремальные объекты, это будут тоже нейтронные звезды или черные дыры. Это же верно и для ядерной физики. Мы хотим знать, как взаимодействуют друг с другом протоны, нейтроны и другие частицы, как они превращаются друг в друга, при каких условиях. В том числе, как ведет себя вещество при очень высокой плотности.

На Земле самой высокой плотностью обладает атомное ядро. Мы все помним, что атом является эфемерным образованием, поскольку сам он большой только за счет того, что электроны крутятся вокруг ядра, вся масса сидит в маленьком ядрышке. Заставить ядро сжаться еще сильнее в земных условиях очень трудно, потому что мы сталкиваемся с сильным ядерным взаимодействием, с которым очень тяжело бороться. Единственный способ на земле поджать ядро – это разогнать и столкнуть на ускорителе два ядра. Но при этом получится горячее вещество. Ядра летят с огромной энергией, и в момент столкновения энергия выделяется, и получается облако горячей плазмы. Для каких-то приложений это хорошо, но для изучения того, как ведет себя холодное плотное вещество, – плохо, потому что получить его таким образом невозможно. И единственное место, где можно косвенно изучать вещество при высокой плотности, – это недра нейтронных звезд.

Оценки показывают, что в центре нейтронной звезды плотность может быть в десять раз больше, чем у атомного ядра. И там могут происходить очень интересные превращения. Во-первых, вещество на Земле состоит из протонов и нейтронов, соотношение которых примерно поровну. Но если мы начинаем сжимать вещество, то нейтронов становится больше. В некоторых моделях в центральных частях нейтронных звезд нейтронов действительно больше в 9 раз, чем протонов. Именно поэтому нейтронные звезды и имеют такое название. Но могут происходить и другие превращения, когда может быть выгодным окажется превращение нейтронов и протонов в другие частицы. Существуют модели, где возникают такие гиперонные звезды, есть сценарии, где в центральных частях нейтронных звезд возникают конденсаты других частиц, например, пионов.

Есть еще более экзотические модели — модели кварковых, или странных, звезд. Мы помним, что протоны и нейтроны состоят из трех маленьких частиц, кварков, которые обладают интересной особенностью. Мы не можем получить отдельный кварк вот здесь и как-то его начать изучать. Если мы, например, пытаемся взять кварк из протона или какой-то другой частицы, то мы затрачиваем так много энергии, что, выдернув кварк, этой энергии хватит, чтобы родить еще один кварк, и получится снова частица, состоящая из двух кварков. А если есть недра компактной звезды, то из-за большой гравитации создастся такая высокая плотность, что кварки станут свободными в этой области, и вещество будет состоять уже не из протонов, нейтронов, гиперонов, а именно из свободных кварков, некой кварковой плазмы. И единственное место, где действительно это можно достаточно надежно изучать, — это недра нейтронных звезд.

Проблема в том, что, во-первых, нейтронные звезды находятся далеко. А во-вторых, если это их недра, то нам нужно, наблюдая поверхности, процессы снаружи нейтронной звезды, понять, как она устроена внутри. И здесь возникает такая типичная астрономическая задача, когда эксперимент невозможен, а можно лишь только наблюдать. Например, можно наблюдать остывающие нейтронные звезды. Нейтронные звезды рождаются горячими, с температурой поверхности в несколько миллионов градусов. Однако за несколько лет наблюдений за остывающими нейтронными звездами мы можем видеть, как температура падает. И это дает нам информацию, что происходит внутри, потому что нейтронная звезда, как ни странно, остывает изнутри. Мы же привыкли, что тела остывают снаружи, и горячий объект снаружи холоднее, чем в центре. У нейтронных звезд ситуация иная: такие звезды все равно в центре горячее, но энергия извергается не фотонами на поверхность, а уносится нейтрино прямо из недр. Нейтронная звезда прозрачна для нейтрино, и поэтому остывание происходит из недр. Тепло течет во внутрь и оттуда испускается в виде нейтрино. Поэтому, наблюдая температуру поверхности, мы наблюдаем косвенно информацию о том, что происходит в центре. И, действительно, кварковые звезды должны остывать не так, как звезды, состоящие из протонов и нейтронов.

Существует другой способ узнать, что находится в недрах нейтронной звезды. Представим, что у нас есть нейтронная звезда, и мы начинаем потихонечку кидать в нее вещество. Масса ее растет, и в конце концов она схлопывается в черную дыру. В этот момент мы узнаем, как долго вещество может выдерживать давление перед тем как превратиться в черную дыру. Другими словами, узнаем, при какой центральной плотности происходит этот коллапс. Это тоже нам очень много скажет о том, как взаимодействуют друг с другом частицы при высокой плотности, когда наконец их давление уже не хватит для того, чтобы удержать звезду от коллапса.

В ближайшие годы, когда заработают усовершенствованные установки для наблюдения гравитационных волн, то, наблюдая слияние нейтронных звезд, мы можем узнать, что происходит у них в недрах, потому что если здесь нам ядра приходится самим разгонять и сталкивать, то там у нас будет естественный эксперимент по сталкиванию двух нейтронных звезд, и именно по гравитационно-волновому сигналу мы сможем установить, с какой-то степенью точности, как у нейтронных звезд устроено вещество внутри.

9

[Постнаука]

https://www.youtube.com/watch?v=BfKMiJHx8K4