Суперобъекты. Звезды размером с город

Сейчас большинство астрономов согласно, что быстрые радиовсплески – это внегалактические вспыхивающие источники. В 2014 году впервые удалось увидеть такой всплеск в реальном времени, а не в архивных записях. При этом в большинстве перспективных моделей для объяснения явления привлекаются нейтронные звезды. Иногда даже магнитары, как в нашей с Константином Постновым модели, физические детали для которой затем были разработаны в работе Юрия Любарского.

Есть такая забавная псевдотеорема, что нейтронные звезды – это суперобъекты. Доказывается она очень просто: в нейтронных звездах мы имеем сверхсильные гравитационные поля, сверхсильные электромагнитные поля, сверхпроводимость, сверхтекучесть (по-английски все эти термины начинаются с super). Таким образом, теорема доказана: нейтронные звезды действительно – суперобъекты. Потому-то физики их очень любят и делятся с астрономами самым ценным, что у них есть, – Нобелевскими премиями.

В самом деле, физики на астрофизиков иногда смотрят искоса (низко голову наклоня), т. е., иначе говоря, – косо. Почему? Потому что в астрофизике происходящие процесссы нам совсем не подконтрольны. У нас есть только наблюдения, а это сильно отличается от прямого контролируемого эксперимента. Когда мы не можем прямо манипулировать изучаемым объектом, то это, конечно, хуже, чем если бы все происходящие процессы находились в нашей власти, ведь мы получаем менее надежный результат. Но иногда ситуация такова, что деваться больше просто некуда. Здесь нейтронные звезды – как раз идеальный пример естественной лаборатории, где мы можем наблюдать экзотические процессы, не имея возможности вмешиваться в них.

В астрофизике совершается много интересных открытий, но не все из них одинаково интересны для большой физики. Вот, например, за экзопланеты, скорее всего, никогда Нобелевскую премию не дадут. По крайней мере есть общее мнение, что хотя это очень важное открытие, но оно астрофизическое (слишком астрофизическое) и к фундаментальной физике не имеет практически никакого отношения. А открытие нейтронных звезд, как сразу было ясно, представляет большой интерес сразу для нескольких областей физики. Поэтому и за открытие нейтронных звезд (радиопульсаров), и за открытие первых двойных радиопульсаров (первых пар «нейтронная звезда плюс нейтронная звезда») были вручены соответствующие Нобелевские премии. В конце этой главы мы попробуем пофантазировать, какие премии еще могу быть выданы.

Неземная гравитация

Какие же интересные физические процессы можно изучать, глядя на нейтронные звезды, какие уникальные условия с ними связаны? Во-первых, за что была выдана вторая Нобелевская премия, – это сильные гравитационные поля (наблюдения двойного радиопульсара позволили проверить предсказания Общей теории относительности для гравитационных полей, многократно превосходящих, доступные нам в Солнечной системе или на Земле). В принципе, самые сильные гравитационные поля существуют в окрестностях черных дыр, но тут есть большая сложность – у черной дыры нет поверхности. Поэтому изучать поведение вещества вблизи горизонта сейчас невозможно.

Мы наблюдаем большое количество кандидатов в черные дыры, но как мы их наблюдаем? По большей части мы видим вещество, которое крутится вокруг черной дыры. Однако у Общей теории относительности есть очень интересная особенность. Если в обычной (ньютоновской) теории гравитации мы возьмем какой-нибудь шарик и станем помещать его на разные орбиты вокруг тяготеющего центра, делая их все ближе-ближе-ближе к поверхности массивного тела, то все равно это будут круговые орбиты. Если центральный объект – просто массивная точка, то на любом расстоянии от нее по круговой орбите может вращаться спутник. В Общей теории относительности все не так: там есть последняя устойчивая круговая орбита. А если мы помещаем объект ближе, то орбита становится спиралью. И наш спутник довольно быстро «вспираливается» в черную дыру.

Поэтому, даже если у нас есть мощный красивый аккреционный диск вокруг черной дыры и мы его наблюдаем, то он имеет внутреннюю границу. Но диск обрывается не на горизонте черной дыры, как можно было бы ожидать, а на большем расстоянии. Может быть, даже в три раза дальше – зависит от того, как вращается черная дыра и в какую сторону крутится диск. То есть от внутреннего края диска вещество попадает внутрь черной дыры очень быстро – из-за этого там как бы возникает щель, нет яркой области, в которой достаточно долгое время существовало бы нагретое вещество. Поэтому изучать то, что происходит в совсем сильных гравитационных полях в черных дырах – зачастую сложно.

Нейтронная звезда может иметь радиус меньше, чем радиус такой последней устойчивой орбиты, т. е. диск также может не доходить до поверхности. Зато сама поверхность видна! Она твердая, и мы можем наблюдать ее, т. е. изучать плотную материю в сверхсильном гравитационном поле. Нейтронные звезды дают возможность изучать практически всю физику (электродинамику, гидродинамику, ядерную физику и т. д.) на фоне сильнейшей гравитации. И все это благодаря астрономическим наблюдениям, которые становятся все лучше. Ведь мы живем в счастливое время, когда каждые 10–20 лет можно получать инструменты во всех диапазонах спектра, превосходящие своих предшественников на порядок по всем параметрам. Кроме их стоимости: она остается примерно такой же. Более того, мы осваиваем все новые и новые методы наблюдений (гравволны, нейтрино). И пытаемся заглянуть в недра компактных объектов.

Аккреционные диски вокруг черных дыр с разным вращением. Диск вокруг невращающейся черной дыры обрывается на большем расстоянии. На рисунке не показан эффект искривления изображения диска, ставший известным благодаря фильму «Интерстеллар». Однако важно понимать, что на самом деле диск не искривлен, искаженным является только его изображение.

Сверхтекучие звезды

Другое очень важное для физиков свойство нейтронных звезд связано с высокой плотностью в их недрах. Там с веществом начинают происходить всякие удивительные вещи. Например, вещество, несмотря на высокую температуру (температура во внутренних слоях нейтронной звезды достигает порядка миллиарда градусов и даже выше!), может оказаться в сверхтекучем состоянии. Если в сверхтекучее состояние перешли протоны, то это вдобавок означает и сверхпроводимость. И у нас есть возможность наблюдать всякие интересные эффекты, связанные с этим.

Например, сверхтекучая жидкость вращается не так, как обычная. Если вы возьмете стакан со сверхтекучей жидкостью и начнете его крутить, то жидкость как целое вращаться не будет, а в жидкости возникнут квантованные вихри. Это, кстати, хорошо изучено в лабораториях. В Интернете можно посмотреть замечательные ролики, где показано, как возникают эти вихри. Нейтронная звезда работает в некотором смысле как такой стакан. Есть большая нейтронная звезда, у нее есть совсем не сверхтекучая кора плюс еще какие-то внутренние слои, содержащие заряженные частицы, которые связаны с корой. Такими частицами могут быть, например, те же самые протоны. Но вдобавок к этому в коре могут существовать сверхтекучие нейтроны. Тогда, с одной стороны, основная масса звезды вращается как единое целое, а с другой – сверхтекучая нейтронная жидкость внутри звезды крутится совсем по-другому: она образует внутри себя вихри. И вращательные свойства сверхтекучей жидкости и всего остального могут быть разными.

Волчок может прецессировать. Его ось вращения сама будет изменять направление в пространстве.

Нейтронная звезда постепенно замедляет свое вращение, потому что это замагниченный шарик. Из-за существования внешнего магнитного поля возникают токи, которые тормозят вращение нейтронной звезды. Звезда тормозится, а сверхтекучая жидкость еще ничего про это не знает, она (как умеет) крутится быстро. Но нельзя накапливать эту разницу в темпе вращения бесконечно. В конце концов, система квантовых сверхтекучих вихрей перестроится, скорости вращения выровняются, и что произойдет?.. Звезда уже крутится медленно, а жидкость пока еще крутится быстро. Если они выравнивают свои свойства, значит, жидкость передает свое вращение звезде. Мы будем видеть, как нейтронная звезда вдруг подкрутилась. Такие события наблюдаются и называются «глитчи». Это, по всей видимости, уникальная возможность изучать поведение сверхтекучих жидкостей в таком большом масштабе. Ведь у нас, конечно, нет возможности создать десятикилометровый стакан на Земле и привести в нем нейтроны в сверхтекучее состояние.

О глитчах мы уже упоминали в этой книге. Но есть еще один феномен, который пока мы обходили стороной. Это прецессия. Если взять волчок и закрутить его неточно вдоль оси симметрии, то он будет не только крутиться, но его ось будет совершать медленное периодическое движение (с периодом намного больше периода вращения) вокруг направления вращения.

Прецессирует ось Земли. Могут прецессировать и нейтронные звезды. Но тут есть одна проблема. Если в коре есть сверхтекучая нейтронная жидкость, то в ней есть вихри. И каждый такой вихрь работает как маленький гироскоп. То есть его ось очень трудно заставить изменить свое направление (поэтому гироскопы и используют в системах ориентации ракет и спутников). Прецессия хочет заставить вихри повернуться, а они сопротивляются. Это может привести к тому, что прецессия, аналогичная той, что мы видим у волчка, у нейтронных звезд наблюдаться не будет.