Нейтронные звезды — поистине одни из самых странных миров во Вселенной, они — последняя битва материи против неустанной силы гравитации. На протяжении большей части жизни звезды ее внутреннее гравитационное притяжение уравновешивается внешним давлением, вызванным энергией, выделяющейся при ядерных реакциях синтеза в ее ядре. Когда топливо заканчивается, звезда взрывается, оставляя после себя ядро. Но что мешает этим звездным остаткам коллапса в дальнейшем разрушиться под собственным весом? Ответ кроется не в физике звезд, а в мире субатомных частиц.
Если вы попытаетесь сдавить атомы, вы сольете вместе их электронные облака, пока в какой-то момент все электроны не займут одно и то же место (правильнее было бы сказать: примут одно и то же квантовое состояние). Это недопустимо и приводит к возникновению эффективной силы, которая помешает вам и дальше давить на атомы. Эта сила называется давлением электронов вырождения, и она очень мощная.
Ответ на вопрос о том, что останавливает саморазрушение нормальной материи под действием собственной тяжести, на удивление, был дан только в 1967 году, когда физики Фриман Дайсон и Эндрю Ленард доказали, что стабильность материи зависит от квантовомеханического эффекта, называемого принципом запрета Паули. В природе существует два типа частиц, которые отличает друг от друга свойство вращения. В этом заключается причина как устойчивости атомов, так и возникновения в них химических реакций. Электроны занимают различные оболочки вокруг ядра атома, и чем больше к ним добавляется электронов, тем дальше они уходят от ядра по орбите. Только поведение внешних электронов определяет химические свойства элемента. Без принципа запрета все электроны скапливаются на максимально возможной низкой орбите; там не происходит никаких сложных химических реакций и, следовательно, не может появиться сложная органическая материя, а с ней и человек.
Великий индийский астрофизик Субрахманьян Чандрасекар нашел ответ в одном из ориентиров, которые в первые годы использовались при расчетах квантовой теории. В 1930 году Чандрасекар доказал, что давление электронов вырождения может предотвратить крах белых карликов с массой до 1,38 раз больше массы нашего Солнца. При больших массах электроны не будут поддаваться гравитации и приближаться друг к другу, потому что не смогут.
Они, конечно, не исчезнут, потому что они несут такие свойства, как электрический заряд, который не может быть ни создан, ни уничтожен. Вместо этого интенсивная сила гравитации создаст благоприятные условия для слияния их с протонами в ядрах атомов, образуя нейтроны. Для умирающей звезды с массой выше предела Чандрасекара — это единственный вариант: все ядро превращается в плотный шар из нейтронов.
Типичное ядро нейтронной звезды, которое содержит практически всю ее массу, примерно в сто тысяч раз меньше в диаметре, чем атом, остальное составляют кипящие облака электронов, которые стараются держаться подальше друг от друга в соответствии с принципом запрета Паули. Когда электроны уходят, материя стягивается в плотную массу самого ядра, а все пространство выжимается из него под действием гравитации, оставляя невероятно плотный «ядерный мяч». Материя нейтронной звезды настолько плотная, что только один сахарный кубик там весил бы больше, чем гора Эверест на Земле.
Особенности нейтронных звезд
Строение нейтронных звезд до сих пор недостаточно исследовано, но они, безусловно, гораздо сложнее, чем просто шар нейтронов. Гравитация на их поверхности порядка 100 000 000 000 G. Поверхность, вероятно, состоит из тонкой корки железа и некоторых более легких элементов, но плотность нейтронов увеличивается по мере углубления в массу ядра. Глубоко в ядре температура может быть настолько велика, что там могут существовать более экзотические формы материи, такие как кваркглюонная плазма — экзотическая форма предварительной ядерной материи, которая существовала во Вселенной несколько миллионных долей секунды после Большого Взрыва.
Многие из этих миров имеют интенсивные магнитные поля и очень быстро вращаются. Магнитные силовые линии, которые напоминают магнитный стержень, сдвигаются вращением звезды, и если магнитная ось наклонена по отношению к оси вращения, это приводит к тому, что два пучка высокой энергии излучают радиацию, как лучи маяка.
В январе 2004 года астрономы с помощью телескопа Ловелла в Джодрелл Банк Центре астрофизики неподалеку от Манчестера и телескопа Паркс Радио в Австралии совершили открытие двойной системы пульсаров, — безусловно, одного из самых невероятных чудес Вселенной. Система состоит из двух пульсаров, один — с периодом вращения 23 тысячные доли секунды, другой — с периодом 2,8 секунды. Они обращаются вокруг друг друга каждые 2,4 часа. Диаметр их орбиты настолько мал, что вся система комфортно поместилась бы внутри нашего Солнца. Пульсары представляют собой невероятно точные часы, что позволяет астрономам использовать эту систему для проверки теории гравитации Эйнштейна в самых экстремальных условиях. Представьте себе интенсивные деформации и изгибы пространства и времени рядом с этими двумя массивными вращающимися нейтронными звездами. Примечательно, что, пожалуй, в самом мощном и красивом испытании физической теории была предсказана общая теория относительности Эйнштейна: лучшая на данный момент теория гравитации была подтверждена в двойной системе пульсаров с точностью до 0,05 процента. Насколько велик человеческий интеллект, какой он обладает мощью и как он прекрасен! Человек, живший на рубеже XIX-XX веков, мог разработать теорию гравитации, вдохновляясь своими сосредоточенными размышлениями о падающих камнях и лифтах, то есть он смог объяснить совершенно точно движение большинства чужеродных объектов во Вселенной в самых экстремальных условиях.
