Нейтронные звезды: что скрывается у них внутри

Внутри нейтронных звезд материя находится в состоянии, которое невозможно воспроизвести даже в самых мощных лабораториях Земли. «Рамблер» расскажет, что ученые знают об их внутреннем устройстве и почему их ядро остается одной из главных загадок современной астрофизики.

Как появляются нейтронные звезды?

Нейтронная звезда появляется после смерти массивной звезды. Пока звезда существует, внутри ее ядра идут термоядерные реакции: они выделяют огромное количество энергии и помогают звезде сопротивляться собственной гравитации. Но когда запас топлива заканчивается, давление падает, ядро начинает стремительно сжиматься под собственной массой.

В этот момент внешние слои звезды взрываются, а центральная часть коллапсирует. Если оставшееся ядро оказывается недостаточно массивным для образования черной дыры, оно превращается в нейтронную звезду.

По данным NASA, масса нейтронной звезда может быть примерно в 1,4 раза больше солнечной, но при этом иметь диаметр всего около 20 километров. Из-за этого вещество внутри оказывается сжатым до экстремальной плотности: даже небольшое количество такой материи на Земле весило бы миллиарды тонн.

Именно поэтому нейтронные звезды считаются одними из самых необычных объектов во Вселенной. Это не обычные звезды, а сверхплотные остатки звездных ядер, где вещество существует в состоянии, практически недостижимом в земных условиях.

Почему в нейтронных звездах нет атомов?

В обычном веществе атомы состоят из ядер и электронов. Между ними много пустого пространства, поэтому вещество можно сжимать только до определенного предела. В ядре умирающей массивной звезды давление становится настолько большим, что эта структура разрушается.

Зеркальная Вселенная и антиматерия: что скрывается за новой гипотезой

Во время коллапса электроны соединяются с протонами, и в результате образуются нейтроны. Одновременно рождаются нейтрино — почти неуловимые частицы, которые уносят огромную часть энергии. Поэтому объект и называется нейтронной звездой: значительная часть его вещества состоит из нейтронов.

Однако нейронная звезда не является шаром. Ее строение слоистое, и в каждом слое вещество ведет себя по-разному.

Слои нейтронных звезд

1. Внешняя кора

Снаружи нейтронная звезда покрыта корой — чрезвычайно плотным слоем атомных ядер и электронов. Ближе к поверхности ядра еще сохраняют относительную самостоятельность, но находятся намного плотнее, чем в любом обычном веществе.

Чем глубже, тем сильнее давление. Атомные ядра начинают деформироваться и перестают быть похожими на привычные шарообразные структуры. В итоге появляется так называемая ядерная паста — формы вещества, которые физики условно сравнивают со спагетти, лазаньей и другими геометрическими структурами. Вещество принимает сложные формы из-за конкуренции притяжения между нуклонами и отталкивания между заряженными частицами.

Ученые считают, что кора нейтронной звезды может быть одним из самых прочных веществ во Вселенной. От ее свойств зависит, как звезда охлаждается, насколько стабильно вращается и как возникают мощные вспышки и так называемые звездотрясения — аналоги землетрясений в сверхплотной коре звезды.

2. Внутренняя кора

Чуть глубже начинается область, где нейтроны уже не удерживаются внутри атомных ядер. Они как бы вытесняются наружу и образуют среду свободных нейтронов, в которой остаются сверхплотные ядра и электроны.

Ученые предполагают, что часть вещества в этой зоне может находиться в состоянии сверхтекучести. Это квантовое состояние, при котором вещество способно двигаться без внутреннего трения. На Земле сверхтекучесть наблюдают в специальных лабораторных условиях, но в нейтронной звезде она может существовать в масштабах целого небесного тела.

Сверхтекучесть помогает объяснить странные скачки скорости вращения пульсаров — так называемые глитчи. Обычно пульсар вращается очень стабильно, но иногда его скорость внезапно увеличивается. Одна из ведущих версий связывает это с передачей вращения от сверхтекучей внутренней части к более внешним слоям звезды.

3. Ядро

Самая большая загадка нейтронной звезды находится в ее центре. Ученые не могут заглянуть туда напрямую, поэтому строение ядра восстанавливают по косвенным данным: массе, радиусу, скорости вращения, гравитационным волнам и рентгеновскому излучению.

Предполагается, что ядро состоит в основном из сверхплотных нейтронов с небольшой примесью протонов, электронов и других частиц. Но при еще большей плотности вещество может переходить в более необычные состояния. Некоторые ученые считают, что в таких условиях внутри появляются экзотические частицы — гипероны. Они похожи на привычные протоны и нейтроны, но имеют более сложное внутреннее строение.

Существует и более радикальная гипотеза. Согласно ей, давление в центре настолько велико, что нейтроны перестают существовать как отдельные частицы. Тогда вещество превращается в особую кварковую среду, где кварки движутся уже не внутри отдельных нейтронов и протонов, а в общей сверхплотной массе.

Пока ни одну из этих теорий не удалось подтвердить окончательно. NASA отмечает, что вещество внутри нейтронных звезд остается одной из самых плохо изученных форм материи во Вселенной. Именно поэтому ученые продолжают наблюдать за такими объектами: например, миссия NICER помогает точнее измерять их массу и размеры, чтобы понять, какая из теорий ближе к реальности.

Виды нейтронных звезд

Нейтронные звезды бывают разными. Некоторые мы видим как пульсары — быстро вращающиеся объекты, которые испускают пучки излучения. Когда такой пучок регулярно проходит через Землю, телескопы фиксируют импульсы, похожие на космический маяк.

Особый класс — магнетары. Это нейтронные звезды с чрезвычайно мощными магнитными полями. В них кора и магнитное поле тесно связаны: напряжение в коре может приводить к вспышкам, а изменения магнитного поля — к выбросам огромной энергии. Согласно NASA, что у магнетаров движение коры способно вызывать мощные электромагнитные всплески.

Может ли нейтронная звезда стать черной дырой?

Ответ связан с квантовой природой вещества. Нейтроны не могут быть бесконечно сжаты в одно и то же состояние. Это создает давление, которое противостоит дальнейшему коллапсу. Но у этого сопротивления есть предел. Если масса остатка слишком велика, нейтронная звезда превращается в черную дыру.

Ранее мы писали, почему звезды «теряют» свои планеты.