Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Почему кора железная? Потому что образование железа – конечный этап термоядерного горения: в обычных звездах тысячи и тысячи лет водород горит и превращается в гелий, гелий – в углерод и так далее. В конечном итоге образуется кремний и “звездная зола” – железо. Получить больше энергии из железного ядра родительской звезды уже невозможно, из-за этого и возникло предположение, что первый внешний слой нейтронной звезды состоит из железа. Над этой корой находится тонкий слой – от нескольких миллиметров до примерно метра – газовой атмосферы, движение которой управляется магнитным полем звезды. Магнитосфера начинается чуть выше атмосферы, и именно эти магнитные поля во вращающихся пульсарах выталкивают в космос струи частиц и, соответственно, мощные потоки излучения.

Кора нейтронной звезды – чрезвычайно сложная структура. По мере того, как мы движемся в направлении ядра звезды, вместе с быстро увеличивающейся плотностью изменяются физические свойства коры. Во внешней коре, состоящей из кристаллов железа, электроны ведут себя привычным для нас образом: в каждом атоме железа они вращаются вокруг ядра. Однако по мере увеличения плотности энергия электронов растет – и они “вдавливаются” в протоны. Когда отрицательно заряженный электрон соединяется с положительно заряженным протоном, протон превращается в нейтрон, высвобождая нейтрино, – и чем больше мы углубляемся внутрь звезды, тем больше электронов вдавливается в ядра и тем больше там оказывается нейтронов. Этот процесс продолжается вплоть до точки, ниже которой в ядрах оказывается так много нейтронов, что они начинают “вытекать” из ядер. Этот переход из внешней коры во внутреннюю и называется “точкой нейтронной неустойчивости”, ниже которой свободные нейтроны начинают образовывать пары, составляющие нейтронную сверхтекучую жидкость с нулевой вязкостью. Это вытекание нейтронов происходит на глубине более трехсот метров при плотности около 4×10¹¹г/см³, которая все еще меньше, чем плотность внутри тяжелых атомных ядер, измеренная в земных условиях. Благодаря лабораторным экспериментам на Земле только что описанные предположения основаны на хорошо изученных законах ядерной физики. (Только вот выдавливания нейтронов из тяжелых атомных ядер на Земле не происходит – в земных ядрах недостаточно нейтронов, чтобы началось их вытекание⁸.)

В самой внутренней части коры, прямо над внешним ядром, плотность составляет около одной трети от плотности в центре атомного ядра. Ядра там прижаты так близко друг к другу, что, по мнению ученых, их форма не может оставаться прежней – и начинает меняться. Если до этого ядра были круглы, как фрикадельки, и разбросаны по всему пространству, то во внутренней части коры они деформированы и плавают в море из вытекших нейтронов. Это фазовое состояние, прозванное учеными “ядерной лапшой”, в котором образуются различные структуры – трубочки, пузыри и листы с соответствующими названиями: “спагетти”, “клецки-ньокки” и “лазанья”. Конечно, это в основном гипотезы теоретиков, поскольку мы не можем взять пробы вещества и исследовать их, но есть очень хорошие экспериментальные доказательства деления ядер в земных условиях – и этот механизм похож на тот, который ведет к образованию “ядерной лапши”.

Во внешнем ядре, которое простирается на глубину около девяти километров, плотность настолько высока, что изолированные ядра больше существовать не могут. Все вещество превращается в ядерную “слизь”, “суп” из нейтронов, протонов, электронов и, возможно, мюонов (тяжелых родственников электронов), а нейтроны находятся в сверхтекучем состоянии, аналогично сверхтекучим жидкостям при сверхнизких температурах на Земле. Хотя во внешнем ядре температура, по-видимому, составляет миллионы градусов, из-за столь высокой плотности и в этих условиях возможно достижение сверхтекучего состояния⁹.

Гипотеза Гордона Бейма и его коллег о механизме сбоя периода вращения пульсара Вела позволила физикам предложить механизм происходящего во внешнем ядре. Проводя свои эксперименты со сверхтекучим гелием, ученые поняли, что их идеи о квантовых вихрях были правильными и что сверхтекучие жидкости текут не так, как любая обычная жидкость, а образуют крошечные вихри, которые делают возможным вращение сверхтекучей жидкости. Считается, что по мере того, как нейтронная звезда начинает вращаться со временем все медленнее и медленнее, скорости вращения твердых и жидких компонентов звезды изменяются по-разному: вращение внешней коры, по-видимому, замедляется быстрее, а вихри все еще продолжают свое собственное локальное вращение. Это приводит к тому, что сверхтекучая компонента будет вращаться немного быстрее, чем кора, и возникнет рассогласование во вращении двух систем. Когда отставание во вращении внешней коры становится слишком большим, вихри начинают “подпрыгивать”, пытаясь перестроить свое вращение, что мгновенно заставляет кору крутиться быстрее – и вращение всей звезды на время ускоряется.