Нейтронные звезды: что спрятано внутри них

Внутри нейтронных звезд материя находится в состоянии, которое невозможно воспроизвести даже в самых мощных лабораториях Земли. расскажет, что известно ученым об их внутреннем строении и почему их ядро ​​остается одной из главных загадок современной астрофизики.

Нейтронная звезда появляется после гибели массивной звезды. Пока существует звезда, внутри ее ядра происходят термоядерные реакции: они выделяют огромное количество энергии и помогают звезде противостоять собственной гравитации. Но когда запас топлива иссякает, давление падает, и активная зона начинает быстро сжиматься под собственной массой.

В этот момент внешние слои звезды взрываются, а центральная часть коллапсирует. Если оставшееся ядро ​​недостаточно массивно, чтобы образовать черную дыру, оно превращается в нейтронную звезду.

По данным НАСА, масса нейтронной звезды может быть примерно в 1,4 раза больше солнечной, но при этом иметь диаметр всего около 20 километров. Из-за этого материя внутри сжимается до экстремальных плотностей: даже небольшое количество такой материи на Земле весило бы миллиарды тонн.

Именно поэтому нейтронные звезды считаются одними из самых необычных объектов во Вселенной. Это не обычные звезды, а сверхплотные остатки звездных ядер, где материя существует в состоянии, практически недостижимом в земных условиях.

Почему в нейтронных звездах нет атомов?

В обычной материи атомы состоят из ядер и электронов. Между ними много пустого пространства, поэтому вещество может сжиматься лишь до определенного предела. В ядре умирающей массивной звезды давление становится настолько большим, что структура разрушается.

Зеркальная Вселенная и антиматерия: что скрывается за новой гипотезой

Во время коллапса электроны соединяются с протонами, образуя нейтроны. При этом рождаются нейтрино – почти неуловимые частицы, уносящие огромную часть энергии. Именно поэтому объект называют нейтронной звездой: значительная часть его вещества состоит из нейтронов.

Однако нейронная звезда — это не шар. Его структура слоистая, и в каждом слое вещество ведет себя по-разному.

Слои нейтронных звезд

1. Внешняя кора

Снаружи нейтронная звезда покрыта коркой — чрезвычайно плотным слоем атомных ядер и электронов. Ближе к поверхности ядра еще сохраняют относительную самостоятельность, но гораздо плотнее, чем в любом обычном веществе.

Чем глубже, тем сильнее давление. Атомные ядра начинают деформироваться и перестают напоминать обычные сферические структуры. В результате появляется так называемая ядерная паста — форма материи, которую физики условно сравнивают со спагетти, лазаньей и другими геометрическими структурами. Материя принимает сложные формы из-за конкуренции притяжения между нуклонами и отталкивания между заряженными частицами.

Ученые полагают, что кора нейтронной звезды может быть одним из самых прочных веществ во Вселенной. Его свойства определяют, как звезда остывает, насколько устойчиво она вращается, а также насколько мощные вспышки и так называемые звездотрясения — аналоги землетрясений в сверхплотной коре звезды.

2. Внутренняя кора

Чуть глубже начинается область, где нейтроны больше не содержатся в атомных ядрах. Они как бы вытесняются и образуют среду свободных нейтронов, в которой остаются сверхплотные ядра и электроны.

Ученые предполагают, что часть вещества в этой зоне может находиться в состоянии сверхтекучести. Это квантовое состояние, в котором материя способна двигаться без внутреннего трения. На Земле сверхтекучесть наблюдается в специальных лабораторных условиях, но в нейтронной звезде она может существовать в масштабах целого небесного тела.

Сверхтекучесть помогает объяснить странные скачки скорости вращения пульсаров — так называемые глюки. Обычно пульсар вращается очень устойчиво, но иногда его скорость внезапно увеличивается. Одна из ведущих теорий связывает это с передачей вращения из сверхтекучей внутренней части звезды в более внешние слои.

3. Ядро

Самая большая загадка нейтронной звезды кроется в ее центре. Ученые не могут заглянуть туда напрямую, поэтому структура ядра реконструируется по косвенным данным: массе, радиусу, скорости вращения, гравитационным волнам и рентгеновскому излучению.

Предполагается, что ядро ​​состоит в основном из сверхплотных нейтронов с небольшой примесью протонов, электронов и других частиц. Но при еще более высоких плотностях вещество может переходить в более необычные состояния. Некоторые учёные полагают, что в таких условиях внутри появляются экзотические частицы — гипероны. Они похожи на обычные протоны и нейтроны, но имеют более сложную внутреннюю структуру.

Пока ни одна из этих теорий не получила окончательного подтверждения. НАСА отмечает, что материя внутри нейтронных звезд остается одной из самых малоизученных форм материи во Вселенной. Именно поэтому ученые продолжают наблюдать за такими объектами: например, миссия NICER помогает точнее измерить их массу и размеры, чтобы понять, какая теория ближе к реальности.

Типы нейтронных звезд

Нейтронные звезды бывают разные. Некоторые из них мы видим как пульсары — быстро вращающиеся объекты, испускающие лучи радиации. Когда такой луч регулярно проходит через Землю, телескопы фиксируют импульсы, подобные космическому маяку.

Особый класс — магнетары. Это нейтронные звезды с чрезвычайно мощными магнитными полями. В них кора и магнитное поле тесно связаны: напряжение в коре может привести к вспышкам, а изменения магнитного поля — к выбросам огромной энергии. По данным НАСА, в магнетарах движение коры может вызывать мощные электромагнитные всплески.

Может ли нейтронная звезда стать черной дырой?

Ответ связан с квантовой природой материи. Нейтроны не могут сжиматься в одно и то же состояние бесконечно. Это создает давление, которое препятствует дальнейшему коллапсу. Но это сопротивление имеет предел. Если масса остатка слишком велика, нейтронная звезда превращается в черную дыру.

Ранее мы писали, почему звезды «теряют» свои планеты.