Топ-100

Дети нейтронных звезд

0
Погибшие звезды влияют на нас больше, чем мы думаем

Ученые утверждают, что космос вовсе не безмолвный, у любой звезды есть свой уникальный «голос», и вместе они сливаются в огромный хор. Какое место в этом хоре занимают самые удивительные и загадочные космические объекты — нейтронные звезды? Почему их называют прародительницами жизни?

Об этом и многом другом рассказывает заместитель директора Института космических исследований РАН, профессор Александр Лутовинов.

Загадочнее черных дыр

– Зачем тратить немаленькие деньги на далекие нейтронные звезды, которые никак на нас не влияют и уж точно ничем пригодиться не могут?
– Еще как могут. Начнем с того, что нейтронные звезды сами по себе уникальны. Это одни из самых удивительных объектов во Вселенной. И они еще более загадочны, чем черные дыры. С последними все в целом ясно. С точки зрения физики они достаточно хорошо описаны. А вот нейтронные звезды — гораздо более сложные объекты. Грубо говоря, черная дыра — это окончательно сломанная звезда, в которой не осталось ни одного целого компонента. Нейтронная же звезда — это звезда, сломанная не до конца. У нее поломанные детали сложились в некую новую структуру, обладающую совершенно уникальными свойствами. Наконец, нейтронную звезду, в отличие от черной дыры, мы банально можем рассмотреть и «пощупать».

Это вполне осязаемый объект диаметром 10-20 км, массой примерно в одну-две массы Солнца. Он быстро вращается и обладает мощнейшим магнитным полем. В зависимости от величины этого поля могут существенно меняться и его наблюдаемые характеристики. Например, есть такие нейтронные звезды, на поверхность которых падает вещество, накапливается, а после достижения определенного критического уровня происходит мощнейший термоядерный взрыв, в котором за секунды сгорает несколько лунных масс. И такое может происходить каждые несколько часов. Иными словами, нейтронная звезда рядом с черной дырой — это как Давид рядом с Голиафом. Голиаф (черная дыра) чрезвычайно мощный, но неповоротливый и туповатый, а Давид (нейтронная звезда) хоть и много слабее, зато умный, юркий, хитрый…

Одна из важнейших задач астрофизики, да и вообще фундаментальной физики — понять, как себя ведет вещество при огромных, сверхъядерных плотностях, а именно такие условия и реализуются внутри нейтронных звезд, на Земле такого достигнуть невозможно. Чтобы создать возможные модели, необходимо более или менее точно измерить радиус нейтронной звезды. И это одна из задач, над которой мы также работаем. Массу определить несложно. А далее от того, будет у нее диаметр 10 или 13 км, существенным образом зависит уравнение ее состояния.

Непомерный вес звездного наперстка

– В таких случаях принято говорить: сколько будет весить один наперсток такого звездного вещества?
– Тут все зависит от слоя, из которого вы этот наперсток зачерпнете. Если из первого, из атмосферы, он будет достаточно легким, около тонны. Уже во втором, во внешней коре, масса 1 куб. см вырастет примерно до полумиллиона или нескольких миллионов тонн. А если «докопаться» до внутреннего ядра, где плотность в несколько раз превышает ядерную, она составит уже от нескольких миллиардов тонн до 2-3 десятков миллиардов тонн в зависимости от уравнения состояния.

Учитывая, что средний тепловоз может тянуть примерно 2 тыс. т груза, для перевозки последнего наперстка потребуется примерно 10-15 млн. тепловозов.

И дело даже не в том, какова плотность внутри ядра нейтронной звезды, а в том, что мы вообще пока слабо себе представляем, как при такой плотности может что-то существовать. Там даже нейтроны должны быть раздавлены. Сейчас есть множество гипотез по этому поводу, например: кварковое ядро, в котором нейтроны разваливаются на составляющие их кварки: гиперонное ядро из барионов; каонное ядро из двукварковых частиц с одним странным кварком и т.д. Ни подтвердить, ни опровергнуть ни одну из этих гипотез мы пока не можем. Если же удастся точно измерить радиусы нейтронных звезд, это позволит ограничить возможные уравнения состояния вещества и отбросить какие-то гипотезы, и это очень сильно продвинет вперед физику.

На небе есть сотни нейтронных звезд, каждая из которых, пульсируя с присущими только ей характеристиками, посылает в пространство свой уникальный сигнал. Эти сигналы в будущем могут быть использованы для решения прикладных задач автономной навигации.

– В этом и состоит польза нейтронных звезд «для народного хозяйства»?
– Не только в этом, есть для них и более практические применения. У нейтронных звезд достаточно сильные, в тысячи миллиардов раз мощнее земного, магнитные поля. Как и у земного, у этих полей есть два полюса, в районе которых и формируется излучение. Механизм этого излучения несколько отличается для одиночных нейтронных звезд и нейтронных звезд в двойных системах. В последнем случае перетекающее с нормальной звезды вещество по магнитным линиям падает на поверхность нейтронной звезды, формируя вблизи полюсов горячие пятна размером в несколько сотен метров и температурой в десятки миллионов градусов, вследствие чего эти пятна очень ярко светят в рентгеновском диапазоне. Сама звезда быстро вращается, скорость может достигать сотен оборотов в секунду. Два этих фактора, – быстрое вращение и наличие относительно компактных сверхмощных рентгеновских источников – порождают пульсирующий сигнал.

– Как береговой маяк, на вершине которого вращается мощный прожектор?
– Именно как маяк. Нейтронных звезд много, периоды вращения у всех разные, причем для одиночных звезд стабильность периодов в масштабе нескольких лет сравнима со стабильностью атомных часов. К тому же сигнал у каждой нейтронной звезды уникален. Теперь представьте: у вас на небе есть сотни объектов, каждый из которых пульсирует с только ему присущими характеристиками. Это фактически то же самое, что используемые сейчас для навигации спутники GPS или ГЛОНАСС, где вместо нескольких десятков космических аппаратов сигналы-привязки посылают сотни нейтронных звезд.

– Я слышал про такие небесные координатные сетки, но считал, что в них роли маяков играют квазары.
– Квазары действительно позволяют получить хорошую ориентацию. Однако, в отличие от них, пульсирующие с известными периодами нейтронные звезды позволяют с достаточно высокой точностью определять не только положение аппарата, но и его вектор скорости, давая тем самым полное навигационное решение. И здесь не требуется вмешательство человека. В идеале, имея на борту специальную аппаратуру и алгоритмы, аппарат может все делать самостоятельно. В этом и состоит принцип автономной навигации аппаратов для дальнего космоса по рентгеновским пульсарам. Это очень перспективное, передовое направление исследований. Для создания таких систем нужны новые детекторы, специализированные интегральные микросхемы, которые позволяют очень быстро считывать и обрабатывать полученный сигнал. Наш институт в настоящее время занимается разработкой и созданием таких регистрирующих систем, которые в будущем могут быть использованы как для изучения строения нейтронных звезд, так и для решения прикладных задач автономной навигации.

Как звезды рождают жизнь

– Насколько я понимаю, нейтронная звезда — это одна из финальных стадий жизни звезды чуть большей, чем наше Солнце. Это один из сценариев смерти звезды.
– Действительно, нейтронная звезда — это одна из возможных конечных стадий эволюции звезды. Многие так их и называют — мертвые звезды, что в моем понимании не совсем правильно, так как ничто мертвое не может родить жизнь, а нейтронная звезда может.

– Каким образом?
– Приведу самый простой сценарий. Представьте систему из двух звезд, каждая из которых уже прожила свою жизнь, взорвалась и превратилась в нейтронную звезду. Если в результате система не развалилась, эти две нейтронные звезды будут вращаться друг вокруг друга сотни миллионов лет. За счет этого вращения они будут излучать гравитационные волны и потихонечку сближаться. В какой-то момент они сойдутся до критического расстояния, после которого произойдет слияние, сопровождающееся мощнейшим взрывом. Именно такое событие и было зарегистрировано в августе 2017 г. гравитационно-волновыми детекторами LIGO/Virgo, а мы его наблюдали с помощью обсерватории INTEGRAL. В результате получится либо массивная нейтронная звезда, либо черная дыра. А попутно в пространство будет выброшено неимоверное количество новых химических элементов, которые получаются только в недрах звезд или в результате таких взрывов. Ведь изначально во Вселенной были только водород и немного гелия. Потом, уже в звездах, синтезировались более сложные элементы вплоть до железа. А все, что находится в таблице Менделеева между железом и ураном, включая последний, появилось уже в результате взрывов сверхновых и слияний нейтронных звезд. Через некоторое время эти продукты взрыва соберутся, начнут гравитационно взаимодействовать, получится протопланетное облако, в центре которого зажжется новая звезда. Из остатков этого протопланетного облака сформируются планеты, на которых, возможно, появится новая жизнь. Так что, все мы в какой-то мере — дети нейтронных звезд.

Валерий Чумаков, scientificrussia.ru

Share.

Comments are closed.