Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Все это оставалось чистой теорией до 1937 года. В тот год советский физик Петр Капица (позже он убедит Сталина освободить из тюрьмы Льва Ландау) работал с гелием, охлаждая его, чтобы посмотреть, что с ним произойдет. Несколькими годами ранее Капица работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже с Эрнестом Резерфордом, куда приехал после того, как потерял жену и двоих детей во время эпидемии испанки в России. Когда он летом 1934 года ненадолго приехал из Англии в Россию, чтобы навестить мать и принять участие в симпозиуме, ему, не объясняя причин, не разрешили вернуться в Англию. Резерфорд попытался облегчить участь Капицы и прислал криогенное оборудование из Кембриджа, что позволило организовать в Москве новый институт – Институт физических проблем. Однажды в 1937 году Капица наблюдал за протеканием сверххолодного гелия в ванну через крошечный зазор в 0,5 микрона между двумя стеклянными дисками (средний диаметр человеческого волоса – 75 микрон). Он обнаружил, что при температуре ниже 2,17 кельвина (это -270,98 градуса Цельсия, что всего на 2,17 градуса выше абсолютного нуля) – эта температура получила название “лямбда-точка” – жидкость течет почти без трения. Работа, посвященная этому явлению, была опубликована в журнале Nature 8 января 1938 года и привлекла внимание ученых всего мира. “Гелий ниже лямбда-точки переходит в особое состояние, которое можно назвать «сверхтекучим»”, – написал Капица в своей статье, таким образом дав явлению название

⁶. Ландау, освобожденный из тюрьмы в 1939 году, использовал результаты эксперимента Капицы для создания на их основе теории, объясняющей сверхтекучесть.

Бейм и его коллеги знали работы Капицы и Ландау. Они также знали работу Мигдала о том, что из-за огромной плотности нейтронных звезд их ядра могут находиться в сверхтекучем состоянии. И они только что узнали об обнаружении первых четырех нейтронных звезд, которые сразу сделали эти объекты абсолютно реальными⁷

.

Когда Бейм, Петик, Пайне, Равенхолл и еще один их коллега, Мэл Рудерман, узнали больше о пульсарах, а затем прочитали об открытии Манчестером сбоя в периоде пульсара Вела, их осенило, что глитч, возможно, будет первым доказательством правильности предположения Мигдала. Вероятно, в ядрах этих недавно обнаруженных, быстро вращающихся нейтронных звезд под твердой корой пряталась сверхтекучая жидкость, и сбой могли вызвать возникающие в сверхтекучей жидкости крошечные водовороты, называемые квантовыми вихрями. Существование квантовых вихрей было предсказано физиком Ларсом Онзагером в 1947 году при изучении сверхтекучего гелия, а затем эту теорию развили нобелевский лауреат Фил Андерсон и физик-теоретик Ричард Паккард. “Мы вдохнули жизнь в гипотезу вихрей”, – говорит Бейм.

Получилось так, что эта идея стала первой гипотезой, подкрепленной наблюдениями, в весьма странной физике нейтронных звезд. За пять десятилетий, прошедших с тех пор, ученым так и не удалось решить вопрос о том, что происходит внутри этих сверхплотных объектов. Мы не можем долететь до какого-нибудь из них, просверлить дырку и посмотреть, что там внутри. То, что будет рассказано дальше, является уже не научной фантастикой, но еще и не совсем научными фактами. Проблема в том, что физические условия, определяющие поведение вещества внутри нейтронных звезд, настолько экстремальны, что нашим моделям сложно его объяснить. Но то, что мы узнали к настоящему времени, уже поразительно.

Когда протон-нейтронная звезда только рождается из сверхновой, она невероятно горячая – внутренняя температура достигает тысячи миллиардов градусов. Всего через минуту протоны внутри нее начинают превращаться в нейтроны, выбрасывая огромное количество нейтрино. Когда нейтрино улетают, они уносят энергию, при этом недра звезды быстро остывают примерно до миллиарда градусов, причем ее внешний слой становится намного холоднее, и когда его температура достигает примерно полумиллиона градусов, начинает формироваться твердая кора. В течение следующих нескольких десятилетий нейтронная звезда продолжает остывать, температура ее внутренней части падает до нескольких сотен миллионов градусов, и звезда продолжает медленно терять тепло еще в течение нескольких сотен тысяч лет. При этом тепло изнутри медленно поднимается к поверхности, а потом рассеивается в виде излучения.

Можно представить нейтронную звезду как яйцо, пусть и сферическое, со скорлупой, белком и желтком. Твердая кристаллическая кора толщиной примерно в один километр состоит из ядер железа – того же материала, который накопился в ядре родительской звезды еще до ее взрыва как сверхновой.