Что находится внутри нейтронной звезды
Диаметр нейтронных звёзд обычно около 10–20 километров, но их масса не уступает Солнцу. Они могут вращаться сотни раз в секунду, а сила тяжести на поверхности чудовищна. При этом никто не знает точно, что находится в её центре. Внутрь такой звезды нельзя заглянуть напрямую: всё, что астрономы знают о ней, основано на расчётах и наблюдениях за излучением, вспышками и гравитационными волнами.
Как рождается нейтронная звезда
Нейтронная звезда появляется после гибели массивной звезды. Когда у светила с массой примерно от 8 до 20 солнечных масс заканчивается топливо, его ядро стремительно сжимается. Внешние слои разлетаются во взрыве сверхновой, а центральная часть остаётся.
Во время коллапса вещество сжимается так сильно, что электроны соединяются с протонами и превращают их в нейтроны. Почти всё ядро становится нейтронным. Дальнейшее сжатие останавливает квантовое давление нейтронов. Но если масса ядра слишком велика — примерно выше 2,2 масс Солнца — этого давления уже недостаточно, и объект превращается в чёрную дыру.
Плотность нейтронной звезды в 100 триллионов раз больше плотности воды. Чайная ложка такого вещества весила бы около 1 миллиарда тонн.
Поверхность: атмосфера и кора
Снаружи нейтронная звезда покрыта очень тонкой атмосферой — от миллиметров до метра толщиной. Обычно она состоит из водорода или гелия. Её прижимает к поверхности колоссальная гравитация.
Под атмосферой лежит внешняя кора — твёрдый слой толщиной в несколько сотен метров. В нём находятся атомные ядра и свободные электроны. Но по мере погружения давление растёт так сильно, что привычная структура вещества начинает разрушаться.
Билет в один конец: что вы увидите и почувствуете, падая в чёрную дыру
Внутри коры: свободные нейтроны и «ядерная лапша»
На глубине около 300 метров плотность становится настолько высокой, что нейтроны начинают «утекать» из атомных ядер. Это важная граница: ниже вещество уже ведёт себя совсем не так, как обычная материя.
Ещё глубже ядра деформируются. Вместо привычных форм появляются вытянутые и слоистые структуры. Физики называют этот слой «ядерной лапшой»:
- Спагетти — длинные нитевидные структуры
- Ньокки — округлые сгустки
- Лазанья — плоские слои
Этот слой считается одним из самых прочных веществ во Вселенной. По расчётам, он примерно в 10 миллиардов раз прочнее стали.
Внешнее ядро: нейтронный «суп»
Под корой начинается внешний и самый объёмный слой звезды. Там уже нет обычных атомов. Вещество превращается в плотную смесь нейтронов, протонов, электронов и мюонов.
Упрощённая схема строения нейтронной звезды
Нейтроны в этом слое, как считается, находятся в состоянии сверхтекучести — они могут двигаться без трения. Именно с этим связывают странное поведение некоторых пульсаров. Иногда такие звёзды неожиданно чуть ускоряют вращение — это явление называют глитчем. Один из самых известных примеров — пульсар Vela, у которого такие сбои происходят примерно раз в три года. Считается, что это происходит из-за передачи углового момента от внутреннего сверхтекучего слоя к коре.
Внутреннее ядро: главная загадка
Что находится в самом центре нейтронной звезды, точно неизвестно. Именно здесь плотность достигает максимума, и привычная физика уже плохо работает.
Есть две основные идеи.
- По первой, внутри могут появляться гипероны — более тяжёлые частицы, похожие на нейтроны и протоны. Но такая модель плохо сочетается с существованием очень массивных нейтронных звёзд.
- По второй гипотезе, при экстремальном сжатии нейтроны распадаются на свои составные части, и возникает кварковая материя. Это вещество могло существовать в первые мгновения после Большого взрыва. Пока это не доказано, но современные данные допускают, что в центре некоторых нейтронных звёзд она действительно есть.
Экстремальные явления: магнетары и быстрое вращение
Иногда внутреннее устройство звезды выдаёт себя через очень мощные события.
Магнетары — это нейтронные звёзды с особенно сильным магнитным полем, до 10¹⁵ Гаусс. Для сравнения, интенсивность магнитного поля Земли составляет 0,5 Гаусс. Магнетары способны давать чудовищные вспышки. Так, 27 декабря 2004 года магнетар SGR 1806-20 за 0,1 секунды выделил больше энергии, чем Солнце излучает за 100 тысяч лет. Вспышка была настолько мощной, что повлияла на верхние слои атмосферы Земли, хотя источник находился примерно в 50 тысячах световых лет от нас.
Основные этапы образования нейтронных звёзд
Нейтронные звёзды могут и невероятно быстро вращаться. Пульсар PSR J1748-2446ad делает 716 оборотов в секунду. Обычный объект при такой скорости давно бы развалился, но нейтронную звезду удерживает её собственная гравитация.
Из-за сильнейшего поля тяготения время на поверхности нейтронной звезды идёт медленнее, чем вдали от неё, примерно на 20–30%.
Как учёные изучают то, что нельзя увидеть
Прямо заглянуть внутрь нейтронной звезды невозможно, поэтому астрономы используют косвенные способы.
Телескоп NICER на борту МКС наблюдает рентгеновские пульсации нейтронных звёзд. По ним можно оценивать массу и радиус объекта. Такие измерения показали, что радиусы многих нейтронных звёзд находятся примерно в диапазоне 12–13 километров.
Что нашли телескопы вблизи горизонта событий чёрных дыр
Другой важный источник информации — гравитационные волны, возникающие при слиянии двух нейтронных звёзд. По форме сигнала можно понять, насколько легко звёзды деформируются, а это зависит от того, насколько «жёсткое» вещество скрыто внутри.
Именно такие наблюдения постепенно сужают круг возможных ответов. Пока у науки нет окончательного объяснения, что находится в центре нейтронной звезды. Но уже ясно, что это один из лучших природных полигонов для проверки законов физики в самых экстремальных условиях.
Телескоп NICER
Почему это важно
Нейтронная звезда — не просто остаток погибшей звезды. Это природная лаборатория, в которой материя сжимается до предела. Изучая такие объекты, учёные пытаются понять, как ведёт себя вещество при плотностях, которые невозможно получить на Земле.
Несмотря на годы исследований нейтронных звёзд, остаётся открытым главный вопрос: что происходит с материей, если сжать её сильнее, чем может выдержать атомное ядро? Ответ важен не только для астрофизики. Он может изменить понимание самой природы вещества.