[Перевод] Мягкая или твёрдая? Спор о том, что находится внутри нейтронной звезды

Ядро нейтронной звезды находится в таком экстремальном состоянии, что физики не могут договориться о том, что происходит внутри неё. Но новый космический эксперимент — и несколько сталкивающихся нейтронных звёзд — должны показать, могут ли ломаться нейтроны

Предупреждения начали приходить рано утром 17 августа. Гравитационные волны, порождённые столкновением двух нейтронных звёзд — плотных ядер умерших звёзд — омывали Землю. Более 1000 физиков обсерватории aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) поспешили расшифровать вибрации пространства-времени, прокатившиеся по детекторам подобно долгому раскату грома. Тысячи астрономов боролись за право стать свидетелями послесвечения. Однако официально весь этот переполох держался в секрете. Нужно было собирать данные и писать научные работы. Внешний мир не должен был узнать об этом ещё два месяца.

Этот строгий запрет поставил Джоселин Рид и Катерино Чатциоаноу, двух членов коллаборации LIGO, в неловкое положение. Днём 17 числа они должны были вести конференцию, посвящённую вопросу о том, что происходит в невообразимых условиях внутренностей нейтронной звезды. А их темой как раз было то, как должно происходить слияние двух нейтронных звёзд. «Мы вышли на перерыв, сели и уставились друг на друга, — говорит Рид, профессор Калифорнийского университета в Фуллертоне. — Так как же мы это сделаем?»
Десятилетиями физики спорили о том, содержат или нет нейтронные звёзды в себе новые виды материи, появляющиеся, когда звезда ломает привычный мир протонов и нейтронов и создаёт новые взаимодействия между кварками или другими экзотическими частицами. Ответ на этот вопрос также пролил бы свет на астрономические загадки, окружающие сверхновые и появление тяжёлых элементов, вроде золота.

Кроме наблюдения за столкновениями при помощи LIGO, астрофизики разрабатывали творческие методы зондирования нейтронной звезды. Задача состоит в том, чтобы узнать какие-либо свойства её внутренних слоёв. Но сигнал, пришедший на LIGO, и подобные ему — испускаемые двумя нейтронными звёздами, обращающимися вокруг общего центра масс, притягивающимися друг к другу, и, наконец, врезающимися — предлагает совершенно новый подход к проблеме.

Странная материя

Нейтронная звезда — это сжатое ядро массивной звезды, очень плотные угли, оставшиеся после сверхновой. Её масса сравнима с солнечной, но сжата она до размеров города. Таким образом, нейтронные звёзды служат плотнейшими резервуарами материи во Вселенной — «последнее вещество на рубеже чёрной дыры», как говорит Марк Алфорд, физик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

Пробурив такую звезду, мы бы приблизились к переднему краю науки. Пара сантиметров нормальных атомов — в основном, железо и кремний — лежат на поверхности, будто ярко-красное покрытие самых плотных сосательных конфет Вселенной. Затем атомы так сильно сжимаются, что теряют электроны, попадающие в общее море. Ещё глубже протоны начинают превращаться в нейтроны, находящиеся так близко, что они начинают перекрывать друг на друга.


Необыкновенное ядро нейтронной звезды. Физики пока ещё обсуждают, что именно находится внутри неё. Вот несколько основных идей.

Традиционная теория

Атмосфера — лёгкие элементы вроде водорода и гелия
Внешняя оболочка — ионы железа
Внутренняя оболочка — решётка ионов
Внешнее ядро — богатые нейтронами ионы в море свободных нейтронов

А что внутри?

В кварковом ядре нейтроны разваливаются на верхние и нижние кварки.В гиперонном существуют нейтроны, состоящие из странных кварков.В каонном — двухкварковые частицы с одним странным кварком.
Теоретики спорят о том, что происходит дальше, когда плотность в 2-3 раза начинает превышать плотность нормального атомного ядра. С точки зрения ядерной физики нейтронные звёзды могут просто состоять из протонов и нейтронов, то есть, нуклонов. «Всё можно объяснить вариациями нуклонов», — говорит Джеймс Латтимер, астрофизик из Университета в Стони-Брук.

Другие астрофизики считают иначе. Нуклоны — не элементарные частицы. Они состоят из трёх кварков [на самом деле, нет — прим. перев.]. Под невероятно сильным давлением кварки могут сформировать новое состояние — кварковую материю. «Нуклоны — это не бильярдные шары», — говорит Дэвид Блашке, физик из Вроцлавского университета в Польше. «Они больше похожи на вишенки. Их можно немного сжимать, но в какой-то момент вы их раздавите».

Но некоторые считают джем из кварков слишком простым вариантом. Теоретики давно думают о том, что внутри нейтронной звезды могут появляться слои из более странных частиц. Энергия сжимаемых вместе нейтронов может перейти в создание более тяжёлых частиц, содержащих не только верхние и нижние кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, но и более тяжёлые и экзотические странные кварки.

К примеру, нейтроны могут уступать место гиперонам, трёхкварковым частицам, в которые входит по меньшей мере один странный кварк. В лабораторных экспериментах гипероны получались, но они практически сразу исчезали. Внутри нейтронных звёзд они могут стабильно существовать миллионы лет.

Как вариант, скрытые глубины нейтронных звёзд могут быть заполнены каонами — также состоящими из странных кварков — собирающимися в один кусок материи, находящийся в едином квантовом состоянии.

Но несколько десятилетий поле этих исследований было в тупике. Теоретики изобретали идеи по поводу того, что может происходить внутри нейтронных звёзд, но это окружение настолько экстремальное и малознакомое, что эксперименты на Земле не могут воссоздать нужных условий. В Брукхейвенской национальной лаборатории и в ЦЕРН физики сталкивают друг с другом тяжёлые ядра, например, золота и свинца. Это создаёт состояние материи, напоминающее суп частиц, в котором присутствуют свободные кварки, известное, как кварк-глюонная плазма. Но это вещество получается разреженным, не плотным, а его температура в миллиарды или триллионы градусов оказывается гораздо выше, чем у внутренностей нейтронной звезды, внутри которой царят относительно прохладные температуры в миллионы градусов.

Даже теория возрастом в несколько десятилетий, описывающая кварки и ядра, «квантовая хромодинамика» или КХД, не может дать ответов на эти вопросы. Вычисления, требующиеся для изучения КХД в относительно холодных и плотных средах до такой степени ужасно сложные, что их нельзя провести даже на компьютере. Исследователям остаётся довольствоваться чрезмерными упрощениями и разными трюками.

Единственный вариант — изучать сами нейтронные звёзды. К несчастью, они очень далеки, тусклы, и очень сложно измерить у них что-либо кроме самых основных свойств. Что ещё хуже, самая интересная физика происходит под их поверхностью. «Ситуация напоминает лабораторию, в которой происходит что-то удивительное, — говорит Алфорд, — в то время, как вы можете видеть только свет из её окон».

Но с новым поколением экспериментов теоретики могут, наконец, вскоре взглянуть на это как следует.



Инструмент NICER прямо перед запуском на МКС. Он отслеживает рентгеновское излучение нейтронных звёзд

Мягкое или твёрдое?

Что бы ни находилось в ядре нейтронной звезды — свободные кварки, конденсат каонов, гипероны или старые, добрые нуклоны — этот материал должен держаться против сокрушительной гравитации, превышающей солнечную. Иначе звезда схлопнулась бы в чёрную дыру. Но разные материалы могут сжиматься гравитацией в разной степени, что определяет максимально возможный вес звезды для заданного физического размера.

Астрономы, вынужденные оставаться снаружи, распутывают эту цепочку, пытаясь понять, из чего состоят нейтронные звёзды. А для этого очень хорошо было бы знать, насколько они мягкие или жёсткие на сжатие. Чтобы узнать это, астрономам необходимо измерить массы и радиусы различных нейтронных звёзд.

Среди нейтронных звёзд легче всего взвешивать пульсары: быстро вращающиеся нейтронные звёзды, радиолуч которых проходит сквозь Землю с каждым их поворотом. Порядка 10% из 2500 известных пульсаров относятся к двойным системам. В процессе движения этих пульсаров те их импульсы, что должны с равными промежутками достигать Земли, варьируются, выдавая движение пульсаров и их положение на орбитах. А зная орбиты, астрономы могут, воспользовавшись законами Кеплера и дополнительными поправками Эйнштейна и ОТО, находить массы этих парочек.

Пока что крупнейшим прорывом стало открытие неожиданно здоровых нейтронных звёзд. В 2010 году команда под руководством Скотта Рэнсома в Национальной радиоастрономической обсерватории Виргинии объявила, что измерила массу пульсара и нашла её равной двум солнечным — что гораздо больше ранее виденного. Некоторые даже сомневались в возможности существования таких нейтронных звёзд; это приводит к серьёзным последствиям для нашего представления о поведении ядер атомов. «Сейчас это одна из самых часто цитируемых работ по наблюдению за пульсарами, и всё благодаря физикам-ядерщикам», — говорит Рэнсом.

В соответствии с некоторыми моделями нейтронных звёзд, утверждающих, что гравитация должна их сильно сжимать, объект такой массы должен схлопнуться в чёрную дыру. Каонные конденсаты в таком случае пострадают, поскольку они достаточно мягкие, а также это не очень хорошо для некоторых вариантов квантовой материи и гиперонов, которые тоже сжались бы слишком сильно. Измерение было подтверждено открытием ещё одной нейтронной звезды, имеющей массу в две солнечных, в 2013 году.


Ферьял Озель, астрофизик из Аризонского университета, провела измерения, из которых следует, что в ядрах нейтронных звёзд содержится экзотическая материя

С радиусами всё немного сложнее. Астрофизики, например, Ферьял Озель из Аризонского университета, разработала различные приёмы для подсчёта физического размера нейтронных звёзд при помощи наблюдения за рентгеновскими лучами, исходящими с их поверхности. Вот один способ: можно измерить общее рентгеновское излучение, использовать его для оценки температуры поверхности, и затем рассчитать размер нейтронной звезды, способной излучать такие волны (внося поправки на то, как они изгибаются из-за гравитации). Также можно искать горячие точки на поверхности нейтронной звезды, постоянно появляющиеся и исчезающие из поля зрения. Сильное гравитационное поле звезды будет изменять световые импульсы в зависимости от этих горячих точек. Разобравшись в гравитационном поле звезды, можно воссоздать её массу и радиус.

Если верить этим расчётам Озел, получается, что хотя нейтронные звёзды и бывают довольно тяжёлыми, их размер находится в пределах 20-22 км в диаметре.

Принятие того факта, что нейтронные звёзды маленькие и массивные «загоняет вас в рамки, в хорошем смысле», — говорит Озел. Она говорит, что так должны выглядеть нейтронные звёзды, набитые взаимодействующими кварками, а у нейтронных звёзд, состоящих только из нуклонов, радиус должен был быть большим.


Джеймс Латтимер, астрофизик из Университета в Стони-Брук, утверждает, что в ядрах нейтронных звёзд нейтроны остаются нетронутыми

Но у Латтимера, среди прочих критиков, есть сомнения по поводу предположений, используемых при рентгеновских измерениях — он считает, что они ошибочные. Он думает, что они могут неоправданно уменьшить радиус звёзд.

Обе соперничающие стороны считают, что их спор вскоре разрешится. В прошлом июне 11-я миссия SpaceX доставила на МКС ящик весом 372 кг, содержащий рентгеновский телескоп Найсер (англ. Neutron star Interior Composition Explorer, NICER). Найсер, в данное время собирающий данные, создан для определения размеров нейтронных звёзд через изучение горячих точек на их поверхности. Эксперимент должен выдать лучшие измерения радиусов нейтронных звёзд, считая пульсары, массы которых измерены.

«Мы все очень ждём результатов», — говорит Блашке. Точно измеренные масса и радиус даже одной нейтронной звезды сразу отметут множество вероятных теорий, описывающих их внутреннюю структуру, и оставит только те, что выдают определённое соотношение размера и веса.

А теперь к экспериментам подключился ещё и LIGO.

Сначала сигнал, который Рид обсуждала за кофе 17 августа, обрабатывали как результат столкновения чёрных дыр, а не нейтронных звёзд. И это имело смысл. Все предыдущие сигналы с LIGO были получены от чёрных дыр, более сговорчивых объектов с вычислительной точки зрения. Но в порождении этого сигнала участвовали более лёгкие объекты, а продолжался он гораздо дольше, чем происходит объединение чёрных дыр. «Совершенно очевидно, что это оказалась не такая система, на которых мы тренировались», — сказала Рид.

Когда две ЧД сближаются по спирали, они излучают орбитальную энергию в пространство время в виде гравитационных волны. Но в последнюю секунду нового 90-секундного сигнала, полученного LIGO, каждый объект испытал то, чего не испытывают ЧД: он деформировался. Пара объектов стала растягивать и сжимать материю друг друга, создавая волны, изымающие энергию их орбит. Это заставило их столкнуться быстрее, чем было бы в ином случае.

После нескольких месяцев неистовой работы с компьютерными симуляциями, группа Рид в LIGO выпустила своё первое измерение эффектов, оказываемых этими волнами на сигнал. Пока у команды есть только верхний предел — что означает, что эффект, оказываемый волнами, слаб или даже просто незаметен. А это значит, что нейтронные звёзды физически малы, и их материя удерживается вокруг центра в очень плотном состоянии, что препятствует её приливному растяжению. «Думаю, что первое измерение через гравитационные волны вроде бы подтверждает то, о чём говорили рентгеновские наблюдения», — говорит Рид. Но это ещё не конец. Она ожидает, что более сложное моделирование того же сигнала выдаст более точную оценку.

Найсер и LIGO предоставляют новые способы изучения нейтронных звёзд, и многие эксперты с оптимизмом ждут, что в следующие несколько лет появятся недвусмысленные ответы на вопрос сопротивления материала гравитации. Но теоретики, например, Альфорд, предупреждают, что простое измерение мягкости материи нейтронной звезды не даст полной информации о ней.

Возможно, другие признаки скажут больше. К примеру, идущие наблюдения за скоростью охлаждения нейтронных звёзд должны позволить астрофизикам рассуждать о присутствующих внутри них частицах и их способности излучать энергию. Или же изучение замедления их вращения может помочь определить вязкость их внутренностей.

Но, в любом случае, просто знать, в какой момент происходит фазовый переход материи и во что она превращается — это достойная задача, считает Альфорд. «Изучение свойств материи, существующей в разных условиях — это, в общем, и есть физика», — говорит он.