|
США: нейтронные звёзды состоят из спагетти и ячменных зёрен
|
|
|
|
Основные представления о нейтронных звёздах можно найти и в популярной литературе и в учебниках. Ещё не чёрная дыра, но плотность колоссальная – намного выше плотности атомных ядер. А что внутри? Последователи различных теорий спорят об этом уже два десятка лет. Но, может быть, скоро их споры прекратятся.
|
|
|
|
Один из самых активных исследователей нейтронных звёзд – Норман Гленденнинг (Norman Glendenning) из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) – увлёкся ими ещё в 1980-х. И сейчас его давние и современные идеи служат предметом ожесточённых дискуссий.
|
|
|
|
Некогда на одном из ускорителей Беркли (Bevalac) учёные получали на короткие мгновения состояние вещества с плотностью втрое выше ядерной, но даже этого было мало, чтобы адекватно воспроизвести внутренность нейтронной звезды, где плотность материи намного-намного выше.
|
|
|
|
При размерах в 10-20 километров их масса столь велика, что сила тяжести на поверхности в 100 миллиардов раз больше, чем тяготение на поверхности Земли. Это тяготение оказывается больше, чем внутриядерные силы, так что в центре звезды материя превращается... Во что?
|
|
|
|
Во что именно – остаётся предметом теоретических споров, которые, правда, несколько разбавляются анализом наблюдений реальных нейтронных звёзд, но об этом позже.
|
|
|
|
Интересно, что вопреки распространённому среди неспециалистов представлению нейтронные звезды не состоят исключительно из нейтронов.
|
|
|
|
Хотя их общий заряд нейтрален, там можно найти и протоны, и электроны, и множество других частиц. "Начинка" такой звезды далеко не однородна – на разных её глубинах существует разное давление и разное строение. А ведь ещё на всю эту "кухню" сильно влияет скорость вращения нашего объекта.Вот как выглядит экскурсия внутрь нейтронной звезды. Перемещаясь к центру, мы увидим, что по мере увеличения плотности материя сжимается так, что в некоторый момент кварки, составляющие так называемые элементарные частицы, становятся освобождёнными.
|
|
|
|
Тут необходимо отступление – в отношении кварков применяют термин confinement – заключение, что подразумевает: кварки всегда находятся внутри частиц, которые они составляют, и наблюдать их "по отдельности" принципиально невозможно.
|
|
|
|
Но нет правил без исключения. В центре нейтронных звёзд, говорят физики, нет даже нейтронов – лишь сплошной "суп" свободных кварков, с добавкой глюонов (вообще-то, эти частицы являются "клеем" для кварков внутри ядерных частиц).
|
|
|
|
При этом большинство теоретиков полагает, что переход этот, от обычной материи к кварковой, происходит по мере нашего мысленного продвижения вглубь звезды – в один момент, словно граница льдом сверху и водой внизу – на замёрзшем озере. Вот с ними и спорит наш герой, предлагая картину куда более сложную.
|
|
|
|
Дело в том, что когда вода замерзает, меняется только одно – расположение и взаимодействие её молекул. В нейтронной звезде мы можем увидеть самые разнообразные, пересекающиеся изменения: и электрических зарядов, и так называемого барионного числа и прочее, и прочее.
|
|
|
|
Фазовые переходы в таком случае – очень сложны. Поскольку нет прямой связи между двумя упомянутыми свойствами материи. Так, нейтрон имеет положительное барионное число, но нулевой электрический заряд. Верхний и нижний кварк имеют одинаковое барионное число (плюс 1/3), но электрический заряд первого – плюс 2/3, а второго минус 1/3.
|
|
|
|
Гленденнинг считает, что из-за этой системы переходов по двум параметрам материя в нейтронной звезде существует не только в чистых, но и в так называемых смешанных фазах, где присутствуют и элементарные частицы, и свободные кварки.
|
|
|
|
При этом в определённых слоях внутри нейтронной звезды поддерживается превращение материи, напоминающее кипение супа: протоны превращаются в нейтроны, кварки разных типов превращаются друг в друга и так далее.
|
|
|
|
А всё вместе создаёт удивительные структуры и поддерживает их в равновесии.
|
|
|
|
На энной глубине адронный слой (своего рода кристалл) содержит лишь немного свободных кварков, которые вплетены в него, как капельки жидкой воды в сплошной лёд.
|
|
|
|
Глубже "капельки" кварков удлиняются к "прутам", ещё глубже они сливаются в "плиты" (как слоёное тесто, перемежаемое начинкой).
|
|
|
|
Адроны же, наоборот, глубже представляют "плиты", потом "стержни", потом – редкие "капельки".
|
|
|
|
Наконец, в самой глубине мы видим чистый набор свободных кварков и ничего больше.
|
|
|
|
А вот во внешних слоях мы видим те самые нейтроны, которым изучаемая нами звезда обязана своему названию, а самый же внешний (тонкий) слой составляют ионы.
|
|
|
|
Американский физик подобрал "гастрономические" образы к этим странным слоям – ячмень, спагетти, лазанья.
|
|
|
|
Отлично. Но есть ли способ хоть как-то проверить картину учёного экспериментально? Это непросто, но подход уже найден.
|
|
|
|
Ещё в 1970-х физики обнаружили, что если с огромной скоростью закрутить вокруг своей оси ядра редкоземельных элементов (а такое вращение им можно придать в ряде экспериментов на ускорителях), то будет наблюдаться странный эффект: время от времени вращение ядра резко замедляется, а потом вновь ускоряется без видимой причины.
|
|
|
|
Возможное объяснение – быстрое вращение создаёт силы, способные кратковременно разорвать связи между отдельными протонами или нейтронами. Это меняет момент инерции ядра.
|
|
|
|
Гленденнинг полагает, что нечто похожее может происходить и с нейтронной звездой – бурные взаимные превращения ряда частиц-адронов и кварков могут влиять на её вращение.
|
|
|
|
А его-то мы можем фиксировать, благодаря радиоволнам, испускаемым вращающейся нейтронной звездой с сильным магнитным полем. Так маяк посылает свой луч по кругу (это те самые пульсары), за которыми давно наблюдают астрономы.
|
|
|
|
Как нейтронная звезда может менять своё вращение? Например, захватывая материю от обычной звезды-спутника. Так нейтронная звезда ускоряется.
|
|
|
|
Но тогда давление в её недрах падает (из-за центробежных сил), а значит – перемещаются вглубь границы тех самых фазовых переходов, где нормальная материя превращается в кварковую.
|
|
|
|
Последней становится меньше, момент инерции всей звезды увеличивается, и она вновь замедляется.
|
|
|
|
Другой случай наблюдаем, когда ось магнитного поля нейтронной звезды не совпадает с её осью вращения. Возникает торможение. Ведь энергия уходит с электромагнитным излучением.
|
|
|
|
Пульсар постепенно вращается всё медленнее, что увеличивает давление в его "интерьере", тогда кварковая материя начинает формироваться в его центре и наращиваться, наращиваться...
|
|
|
|
А поскольку кварковая материя чрезвычайно плотна, она, напротив, ускоряет своё вращение (как конькобежец, сводящий руки вместе), постепенно увлекая и внешние слои, и разгоняя вновь всю звезду в целом.
|
|
|
|
Что же выходит? Существует саморегулирующийся механизм, не позволяющий нейтронной звезде вращаться слишком быстро и слишком медленно. А значит, достаточно старые нейтронные звёзды должны "тяготеть" к какой-то средней частоте вращения (что зависит, конечно, и от их массы).
|
|
|
|
При этом оба процесса могут и сочетаться, да ещё при их расчётах нужно учитывать релятивистские эффекты, возникающие при сверхсильном тяготении.
|
|
|
|
И всё же это явление, полагает Гленденнинг, можно попытаться отследить по статистике распределения частот вращения пульсаров на примере достаточно большого их "населения".
|
|
|
|
Действительно, однажды анализ каталога рентгеновских пульсаров показал такой "пик", но позже результат дезавуировали какими-то пересчётами.
|
|
|
|
По большому счёту, учёным не хватает нейтронных звёзд. В смысле, слишком мало ещё собрано статистики по самым разным нейтронным звёздам, чтобы делать далеко идущие выводы. Во всяком случае – в данном вопросе.
|
|
|
|
Сейчас астрономы обдумывают и пробуют новые виды наблюдений, которые позволят вычислять массу и радиус нейтронных звёзд. Скоро информации об одних из самых загадочных объектов Вселенной должно прибавиться. Тогда, может быть, мы узнаем – прав ли мистер Гленденнинг.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аккумулятор Новостей, 09:53 17.11.2004
|
|
Источник: Мembrana
|
|
|
