Якби мене попросили назвати об’єкти у Всесвіті, які є останнім рубежем перед невідомим, то це були б нейтронні зорі. В цій статті ми познайомимось із ними ближче, і це буде захопливо, адже йтиметься про найекстремальніші спостережувані компактні тіла в космосі — останні перед кроком у непроглядну темряву сингулярності чорних дір.
Історія відкриття
Нейтронні зорі належать до явищ, передбачених теоретиками «на кінчику пера». Майже відразу після відкриття у 1932 році нейтрона (субатомної частинки, що входить до складу атомних ядер) у 1934-му астрономи Фріц Цвіккі та Вальтер Бааде опублікували гіпотезу про існування об’єктів, що складалися виключно з нововідкритих частинок. Вчені хотіли дати пояснення надновим — короткотривалим спалахам зір, унаслідок яких вивільнялася гігантська кількість енергії. Хоча на той момент було ще дуже мало відомо про ядерні сили та будову атомного ядра, вони зробили цілком правильне припущення, що ця енергія перетворюється з гравітаційної, коли при вибуху зоря скидає свою зовнішню оболонку, а її центральна частинка стискається у мільйони разів. З огляду на типові маси світил і оцінку густини ядерної матерії також одразу стало зрозуміло, що знайти нейтронну зорю за допомогою оптичних телескопів буде неможливо. Річ у тім, що після вибуху наднової залишок її маси при стисканні до ядерної густини утворив би кулю радіусом лише кілька десятків кілометрів, який навіть за дуже високої температури поверхні було б неможливо побачити через недостатню яскравість.
Утім, усе змінилось у другій половині 1960-х років. За дивним (хоча й не таким уже рідкісним у науці) збігом у цей період часу одночасно та незалежно один від одного теоретики й астрономи-спостерігачі дійшли висновку, що нейтронні зорі мають бути джерелами потужного радіовипромінювання. 1967 року це теоретично передбачив італійський астрофізик Франко Пачіні. У своїй статті в журналі Nature він зауважив: якщо такий об’єкт (на той час лише гіпотетичний) має сильне магнітне поле та швидко обертається — він мусить перетворювати кінетичну енергію обертання на радіохвилі. Перше спостереження потужного радіоджерела з глибокого космосу відбулося ще 1965 року в Крабовидній туманності, а про впевнене відкриття першого радіопульсара, який потім ототожнили з нейтронною зорею, було повідомлено в 1967-му. До обидвох відкриттів найбільше доклався американський астроном Ентоні Гʼюїш. Саме він добився побудови інструменту, на якому відкрили перший пульсар PSR B1919+21 з періодом ~1,3 с. Однак не варто забувати і про вклад його студентки Джоселіни Белл, якій доводилося перелопачувати десятки метрів паперових записів вимірів інструмента (масиву радіоантен) у пошуках сигналів. Тим більше, що Г’юїш за це відкриття отримав свою Нобелівську премію, а Белл — ні, що згодом викликало суперечки щодо справедливості такого присудження. Виявлений сигнал спочатку отримав позначення LGM-1, що розшифровувалось як Little Green Man-1. Існування такого потужного радіоджерела з космосу тоді здавалося настільки неймовірним, що вчені — звісно ж, жартівливо — готові були приписати його інопланетянам.
Кінцевий пункт еволюції
Отже, спробуємо розібратися, звідки у нейтронних зір такі цікаві властивості, що роблять їх спостережуваними. Як уже зазначалося раніше, вони є останньою сходинкою перед «провалом» астрофізичного об’єкта в сингулярність під дією власної гравітації. Нейтронною зорею має шанс стати достатньо важка зоря, початкова маса якої, однак, не перевищує восьми мас Сонця. Протягом свого життя вона поступово «спалюватиме» термоядерне паливо в своєму ядрі: спочатку — водень, перетворюючи його на гелій, а потім — гелій на вуглець. Далі, якщо це ядро достатньо масивне й велике, почнеться термоядерне перетворення вуглецевих ядер на важчі — неону, кисню та інших. Якщо воно буде недостатньо масивним, щоб величезний тиск у ньому дозволив перебіг таких реакцій, то після скидання зовнішньої оболонки (це також виглядає як спалах наднової) залишок зорі стає білим карликом, який складається переважно з атомів вуглецю.
Якщо гравітація буде сильнішою, тобто якщо зоряне ядро приблизно в 1,4 рази важче за Сонце (так звана межа Чандрасекара), то після «випалення» вуглецю в ядрі електрони починають тунелювати в ядра атомів, взаємодіючи з протонами з утворенням нейтронів і «невловимих» частинок нейтрино. При цьому за коротку мить вивільняється шалена кількість енергії та виникає одне велике нейтронне ядро. Якщо ж гравітація «перемагає» навіть тиск надзвичайно щільно упакованих нейтронів — тоді матерія, що залишилася, безповоротно колапсує до свого гравітаційного радіусу, тобто в чорну діру. Це стається, коли її маса є вищою за ще одну межу — Толмена-Оппенгеймера-Волкова (приблизно 2,4 сонячної маси) Як відомо, в таких випадках «звідти» жоден сигнал уже не вибереться, тому про внутрішність чорної діри ми можемо лише теоретизувати. Тож повернемося до нейтронних зір.
Під час вибуху зовнішня оболонка «провалюється» на поверхню ядра зорі з релятивістською швидкістю, що може сягати чверті швидкості світла. Частина її «відбивається» від поверхні, формуючи залишок наднової, який буде чудово видно протягом століть після вибуху. А сам вибух і є надновою, точніше, одним із її типів. «Зблизька» (у нашій чи сусідніх галактиках) людству пощастило спостерігати такі явища не більше десятка разів за всю свою історію.
При такій метаморфозі від свого попередника — «звичайної» зорі — нейтронна отримує у спадок зовсім небагато. Але одна з величин, що значною мірою зберігається — це момент кількості руху, або ж обертовий момент. Закони збереження цієї величини призводять до того, що радикальне зменшення в розмірах нейтронна зоря компенсує неймовірною швидкістю обертання. Так, у деяких пульсарів період пульсації може складати лише кілька мілісекунд. Це означає, що для об’єкта радіусом 20-30 км, що робить повний оберт за цей час, швидкість руху точок поверхні може складати десяті долі швидкості світла.
Так пояснюється одна з дивовижних властивостей нейтронних зір, яка робить їх видимими. Однозначної відповіді про походження іншої — потужного магнітного поля — вчені поки не знайшли. Можливо, воно також є «спадком» від умираючої зорі. В цьому випадку йдеться про закон збереження магнітного потоку. Якщо початково магнітне поле створювало потік крізь істотно більшу площу перерізу (оскільки зоря мала значно більший радіус), то після її зменшення від мільйонів до кількох десятків кілометрів напруженість поля мала змінитись обернено пропорційно до площі. Але навіть такого обґрунтування недостатньо для пояснення монструозних величин потужності полів, які, за оцінками астрофізиків, мають нейтронні зорі біля своєї поверхні.
Будова та властивості
Які секрети приховує будова нейтронних зір? Попри те, що вони є практично згустком однакових частинок (нейтронів), їхня структура може бути неоднорідною. Так, поверхневий шар завтовшки в кілька відсотків радіусу складається з іонізованої матерії — надзвичайно щільно упакованих ядер атомів і моря електронів, відокремлених від них. Власне, таке щільне пакування дозволяє розглядати поверхню як твердий стан речовини. Як наслідок, під дією відцентрової сили та магнітного поля там можуть утворюватися «гори» заввишки у кілька сантиметрів або міліметрів. Коли вони руйнуються після «зоретрусів», виділеної енергії буває достатньо, щоб помітити їх із Землі — у вигляді потужних гама-спалахів, що приходять від нейтронних зір.
Що ближче до центру, тим вища густина й тим менше протонів і електронів, які ще досі не провзаємодіяли й не утворили нейтрон. Значення густини матерії нейтронної зорі порівнюване з густиною ядер атомів, а саме — порядку 10¹⁷ кг/м³. Для її опису використовуються ті ж формули та закони, що й у ядерній фізиці. Астрономічні числа стають зрозумілішими з уже класичного порівняння: чайна ложка цієї нейтронної матерії матиме таку ж масу, що й гора Еверест. Речовина під таким тиском стає тим, що вчені називають «нейтрон-протонним Фермі-газом», або ж виродженою матерією. В цьому стані вона має вкрай незвичні властивості. До прикладу, її об’єм майже не залежить від маси, а та слабка залежність, яка все ж присутня, перевертає все з ніг на голову: найімовірніше, чим важчою є нейтронна зоря, тим меншим є її радіус.
Свої секрети мають і ядра нейтронних зір. Їхня густина може бути вдвічі більшою за середню для зорі, а температура — сягати десяти мільярдів кельвінів. А умови там можуть скластися такі, що матерія перейде у стан кварк-глюонної плазми, коли у рівновазі в ній перебувають не лише нейтрони та протони, що складаються з up- і down-кварків, а й більш екзотичні елементарні частинки з іншим кварковим складом. На Землі такий стан матерії є досяжним лише на мільярдні долі секунди у найпотужніших колайдерах.
Ще одна характерна риса нейтронного монстра — магнітне поле. Його напруженість поблизу зорі може сягати значень від 10⁴ до 10¹¹ тесла. Енергетична густина (E/c²) поля з верхньої межі цього діапазону в 10 тис. разів перевищує густину свинцю. Для порівняння: рекорд, який змогли досягти в земних лабораторіях — кілька десятків тих самих тесла. А магнітне поле на поверхні нашої планети має потужність не більше 50 мікротесла.
Вісь симетрії магнітного поля нейтронної зорі зазвичай не співпадає з віссю її обертання. Оскільки це поле помітно неоднорідне, при обертанні зі страшною швидкістю воно породжує радіовипромінювання достатньої потужності, щоб його можна було зареєструвати за сотні й тисячі світлових років.
Це можна вважати майже обов’язковим атрибутом нейтронної зорі: серед відомих у наш час 2010 об’єктів цього типу для 2000 характерні радіопульсації. Ті з них, що мають особливо сильні магнітні поля, називаються магнетарами. Ці поля настільки потужні, що здатні виривати з поверхні зорі протони. Це призводить до досить тривалих (до 10 с) гамма-спалахів, у ході яких вивільняється енергія, співмірна з річним випромінюванням Сонця. Крім того, сила взаємодії таких полів із дипольним магнітним моментом електрона може перевищувати його власну енергію спокою, що породжує цікаві релятивістські ефекти — поляризацію вакууму, народження частинок із поля тощо. За рахунок видовження електронних хмар навколо ядра атоми водню в такому полі стають схожими на дротики, вони кілька сотень разів тонші, ніж вони є у звичайному стані.
Найекстремальніші лабораторії у Всесвіті
Нарешті, згадаємо про особливу роль нейтронних зір для астрофізики, фундаментальної фізики та, як це не парадоксально, самого життя. Ми вже зазначали раніше, що за багатьма характеристиками існування таких об’єктів є екстремальним — екстремальні поля, екстремальна близькість до «провалу» в чорну діру, екстремальні процеси під час утворення. Так, гігантська напруженість гравітаційного поля на поверхні нейтронної зорі деформує часопростір настільки, що час там уповільнюється на кільканадцять відсотків порівняно з віддаленими областями.
Такі екстремальні властивості дозволяють найточнішим чином перевіряти фундаментальні теорії, зокрема — Загальну теорію відносності Ейнштейна. Саме завдяки подвійному пульсару PSR B1913+16 у 1970-х вдалось опосередковано підтвердити існування гравітаційних хвиль. Дві нейтронні зорі, обертаючись одна навколо іншої, повільно втрачали енергію через випромінювання таких хвиль, і це стало помітно завдяки передбаченому та спостережному зменшенню періоду їхнього обертання. Лише 2015 року ці хвилі відкрили безпосередньо за допомогою детектору LIGO на Землі.
Цей же детектор у 2017 році допоміг побачити унікальне та рідкісне, але важливе явище — злиття нейтронних зір. Тоді вчені змогли ототожнити дві події: гамма-сплеск GRB 170817A та колапс, який викликав сплеск гравітаційних хвиль GW170817. Це дуже сприяло розумінню фізики таких процесів. Подібні вибухи назвали кілоновими (за аналогією до наднових), а їхня важливість полягає в тому, що під час них відбувається масовий синтез хімічних елементів, важчих за залізо, що є неможливим у процесі звичайного термоядерного «горіння» в надрах зір. Хімічна різноманітність пилу, з якого утворилась у тому числі наша Сонячна система, дозволила зародитись життю на Землі. Тож у певному сенсі всі ми — діти парочки нейтронних зір, що покохали одна одну та врешті об’єдналися в одну!
Можна бути впевненими, що у процесі вдосконалення астрономічних інструментів дослідження нейтронних зір продовжать наближати нас до розуміння нашого Всесвіту — через розкриття таємниць ядерної та релятивістської фізики, а також квантової теорії поля, що грають визначальну роль у їхньому існуванні. А можливо, і квантової гравітації, з якою людство ще навіть не почало знайомитися з практичного боку. Тож чекаємо на нові відкриття!
Автор: Максим Ціж, кандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник Астрономічної обсерваторії Львівського університету
Ця стаття була опублікована у №1 (189) 2023 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній версії можна у нашому магазині.
