NEUTRON STAR - The Most INSANE Object in the Universe

Представьте, что вам в руку положили чайную ложку, обычную, из кухонного ящика. Только вещество в ней не сахар и не соль, а горсть материи, зачерпнутая с поверхности мёртвой звезды. В тот же миг ваша рука перестанет существовать, потому что эта ложка весит примерно миллиард тонн. Это больше, чем весит гора средних размеров. Если бы вы каким-то чудом удержали её на уровне плеча и разжали пальцы, к моменту удара о землю она разогналась бы до скорости в 20 с лишним раз превышающей скорость гоночного болида и прошила бы планету насквозь. Такое вещество существует. Его во Вселенной довольно много. И находится оно в объектах, которые по космическим меркам смехотворно малы. Шар поперёк примерно 20 километров, размером с крупный город. Внутри этого шара упаковано больше массы, чем содержит наше Солнце. Это нейтронные звёзды. Самые плотные объекты, которые ещё можно назвать объектами, потому что следующая ступень плотности — это уже чёрная дыра, где привычная физика заканчивается вовсе. Сегодня мы разберём, как получается такое вещество, почему эти шары вращаются сотни раз в секунду, что произошло, когда астрономы приняли сигнал от одного из них и всерьёз решили, что это послание инопланетян, и почему золото в вашем кольце, скорее всего, родилось при столкновении двух таких мёртвых звёзд. Чтобы понять, откуда берётся нейтронная звезда, надо посмотреть, как умирает большая звезда. Всю свою жизнь звезда балансирует между двумя силами. Гравитация тянет всё вещество к центру и пытается схлопнуть шар. Термоядерные реакции в ядре греют газ и создают давление наружу. Пока эти силы равны, звезда стабильно и может гореть миллиарды лет. Но топливо кончается. Сначала выгорает водород, потом гелий, затем звезда переходит на всё более тяжёлые элементы, и каждая следующая стадия короче предыдущей. Ядро становится похоже на луковицу из слоёв, и вот в самом центре начинает копиться железо. Железо — это тупик. Синтез более тяжёлых элементов из него не даёт энергии, а забирает её. Печка, которая держала звезду в равновесии всю её жизнь, гаснет за считанные часы. Дальше происходит вещь, которую трудно уложить в голове. Ядро размером с планету обрушивается само в себя со скоростью около четверти скорости света. Схлопывание занимает меньше секунды. Внешние слои звезды, потерявшие опору, падают следом, налетают на уже сжавшееся ядро, отскакивают от него и вылетают наружу. Это и есть взрыв сверхновой. Вспышка, которая на несколько недель может пересветить целую галактику из сотен миллиардов звёзд. А в центре этого взрыва остаётся то, что уцелело от ядра. Дальше всё решает масса. Если исходная звезда была тяжелее Солнца примерно в 10, 20, 30 раз, ядро сжимается до плотности, при которой обычное вещество перестаёт существовать. А там ведь почти целиком пустота, ядро в центре и электроны где-то очень далеко от него. При таком давлении эта пустота схлопывается, электроны буквально вдавливаются в протоны, и на их месте появляются нейтроны, частицы без электрического заряда. Отталкиваться друг от друга им нечем, но отталкиваться они могут невероятно плотно. Примерно так же плотно, как частицы внутри атомного ядра. Получается объект, который проще всего описать так. Это одно гигантское атомное ядро диаметром с город. Отсюда и название. Правда, название не совсем честное. Чистых нейтронов там нет. В коре остаются и обычные ядра, и электроны. А что творится в самом центре, мы до сих пор не знаем точно. Если же ядро погибшей звезды оказалось тяжелее и с небольшим солнечных масс, никакая сила уже не остановит сжатие. Тогда вместо нейтронной звезды рождается черная дыра. Граница между двумя этими исходами очень тонкая, и именно ее сейчас пытаются нащупать астрофизики. Числа, которые описывают такой объект, звучат как ошибка в расчетах. Гравитация на поверхности примерно в 2 миллиарда раз сильнее земной. Человек, оказавшийся там, был бы размазан в слой толщиной ватом мгновенно. Мяч, брошенный с высоты человеческого роста, коснулся бы поверхности через несколько микросекунд, разогнавшись до тысяч километров в секунду. Свет, проходящий рядом, заметно искривляется, и из-за этого мы видим не только обращенную к нам сторону звезды, но и часть обратной. Гравитация буквально загибает изображение из-за горизонта. И здесь же прячется самый неинтуитивный факт обо всем этом классе объектов. Обычно чем тяжелее тело, тем оно больше. С нейтронными звездами наоборот. Чем больше масса, тем меньше диаметр, потому что дополнительный вес сжимает вещество еще сильнее. Самая тяжелая из известных нам нейтронных звезд весит больше двух солнц, и при этом компактнее многих своих более легких сестер. Еще немного массы, и она перестала бы существовать как звезда вообще. Поверхность у нее, вопреки распространенному представлению, твердая. Это кора из железа и других тяжелых ядер, спрессованных до состояния, которому нет земного аналога. По прочности это вещество превосходит сталь примерно в 10 миллиардов раз. И на сегодня это самый прочный материал, о котором мы знаем. Именно поэтому рельеф там особенный. Горы на нейтронной звезде существуют, но гравитация не позволяет им подняться выше нескольких миллиметров. Представьте себе идеально гладкий шар, отполированный так, как не отполирован ни один предмет, созданный человеком. Температура этой поверхности может достигать миллиона градусов. Глубже под корой давление становится таким, что ядра атомов уже не могут оставаться отдельными шариками. Они слипаются в вытянутые структуры. Сначала в длинные нити, потом в плоские листы, потом в решетки с пустотами. Физики, обладающие чувством юмора, назвали это ядерными макаронами. И термин прижился в научных статьях. Еще ниже начинается область, о которой мы, честно, не знаем почти ничего. Возможно, там нейтроны текут вообще без трения, как сверхтекучая жидкость. Возможно, они распадаются на составные части и превращаются в неизвестную нам форму материи. Проверить это в лаборатории невозможно. Таких давлений на Земле не создать никогда. Возникает резонный вопрос. Если заглянуть внутрь невозможно, откуда мы вообще что-то знаем о недрах нейтронной звезды? Ответ красивый. Мы слушаем, как она сбивается с ритма. Пульсар вращается настолько равномерно, что по стабильности соперничает с лучшими атомными часами. Период известен с точностью до сотых долей микросекунды. И он очень медленно, предсказуемо растет, потому что звезда тормозится собственным излучением. И вот изредка происходит сбой. Звезда внезапно, за доли секунды, начинает крутиться быстрее, а потом месяцами возвращается к прежнему темпу. Такие сбои называют глитчами. И это единственное окно внутрь. Объяснение состоит в том, что кора и недра вращаются не как единое целое. Внутренность, судя по всему, представляет собой сверхтекучую жидкость, то есть вещество вообще без вязкости, которое не тормозится и продолжает вращаться со старой скоростью, пока замедляется твердая оболочка. Разница накапливается, а потом лишний момент вращения рывком передается коре. Иначе говоря, слушая сбои в стуке далекого маяка, мы фактически измеряем свойство жидкости, которую невозможно ни увидеть, ни получить в лаборатории. Есть и второй способ. Поверхность нейтронной звезды прогрета неравномерно. Там, где на нее падает вещество вдоль магнитных линий, образуются раскаленные пятна, и при вращении яркость слегка меняется. Казалось бы, по этой кривой ничего не восстановить, но здесь на помощь приходит та самая чудовищная гравитация. Она так искривляет пути лучей, что мы видим пятна даже тогда, когда они находятся на обратной стороне звезды. Форма кривой блеска зависит от того, насколько сильно загибается свет. На это, в свою очередь, зависит от соотношения массы и радиуса. Специальный рентгеновский инструмент, установленный на околоземной станции, именно так и измерил размеры нескольких нейтронных звезд, причем с погрешностью меньше километра. Мы буквально определяем диаметр городка, находящегося за тысячи световых лет, по мерцанию его тепловых пятен. Теперь про самое зрелищное свойство. Когда огромное ядро схлопывается в маленький шар, оно сохраняет вращение и работает тот же принцип, что у фигуриста, прижимающего руки к телу. Звезда, делавшая один оборот за месяц, после коллапса начинает вращаться сотни раз в секунду. Рекордсмены совершают больше 700 оборотов за секунду, и точка на их экваторе движется со скоростью около четверти скорости света. Вместе с вращением многократно усиливается и магнитное поле. У обычной нейтронной звезды оно в сотни миллионов, а то и в тысячи миллиардов раз мощнее земного. Это самые сильные магниты во Вселенной. Магнитная ось при этом, как правило, не совпадает с осью вращения. Точно так же, как у Земли, магнитный полюс не совпадает с географическим. Заряженные частицы у полюсов разгоняются и выбрасывают наружу два узких луча излучения. Звезда вращается, лучи описывают в пространстве конусы, и если один из них раз за разом попадает по Земле, мы регистрируем строго ритмичные вспышки. Это маяк. Только вместо лампы у него мертвое ядро звезды. Такие объекты называют пульсарами. История их открытия одна из лучших в науке XX века. Существование сверхплотных звезд предсказали еще в 30-е годы, вскоре после открытия нейтрона. Астрофизики Вальтер Баада и Фритц Цвикки предположили, что при вспышке сверхновой может оставаться крошечное сверхплотное тело. Идею сочли красивый, но безнадежный. Объект размером с город на межзвездных расстояниях наблюдать нечем. В 60-е годы физик Франко Пачини заметил, что вращающийся на магничный остаток должен активно излучать, и что это излучение теоретически поймать можно. А в конце 60-х на радиотелескопе в Англии молодая аспирантка, разбирая километры бумажной ленты с самописца, обнаружила странный сигнал. Импульсы приходились чудовищной точностью. Возможно, раз в секунду с третью. И не сбивались. Ни один известный природный процесс так себя не вел. Первая гипотеза, которую всерьез обсуждала группа, звучала невероятно. Возможно, принят маяк чужой цивилизации. Источнику дали шуточное обозначение, расшифровывавшееся как «маленькие зеленые человечки». Через несколько недель нашли второй такой источник в другой части неба. Потом третий. Две независимые цивилизации, вещающие на одной частоте с одинаковым ритмом, и это уже перебор. И стало ясно, что перед нами новый класс объектов. Так, открытие инопланетян в очередной раз превратилось в открытие природного явления, и, как обычно, природное оказалось интереснее. Сегодня известно больше трех тысяч пульсаров, а всего в нашей галактике нейтронных звезд по оценкам около ста миллионов. Кстати, именно на пульсары люди сделали ставку, когда решили оставить во Вселенной свою визитную карточку. К зондам, запущенным в 70-е годы к внешним планетам и позже ушедшим в межзвездное пространство, прикрепили пластинки с посланием. Одна из главных частей этого послания — карта. На ней Солнце изображено в центре линии, ведущих к 14 пульсарам, а рядом двоичным кодом записан период каждого из них. Логика безупречна. Пульсары — великолепные часы. Их период уникален и известен с точностью до долей микросекунды. Поэтому чужая цивилизация в теории могла бы опознать эти 14 маяков и вычислить, откуда прилетел аппарат. Красивая идея, но за прошедшие полвека мы узнали о пульсарах достаточно, чтобы усомниться. Периоды медленно, но меняются. Направление лучей может уползти в сторону, и тогда маяк, который сегодня освещает окрестности, для кого-то просто погаснет. А главное, самих пульсаров в галактике оказалось на порядке больше, чем думали. И найти среди них конкретные 14 по одному лишь ритму — задача, к которой поговорка про иголку в стоге сена даже не подступается. Скорее всего, кто бы не встретил эти аппараты, он никогда не поймет, откуда они пришли. Но и пульсары не предел. Иногда после коллапса возникает нечто еще более крайнее. Если новорожденная звезда вращается особенно быстро, ее магнитное поле раскручивается до значений в тысячу раз превышающих обычные. Такой объект называют магнитаром, и его поле сильнее земного примерно в тысячу триллионов раз. Понять этот масштаб нельзя, к нему можно только подобрать иллюстрации. Окажись магнитар на расстоянии Луны, его поле стерло бы информацию со всех носителей на планете и вырвало бы металлические предметы из наших рук. Приблизьтесь к нему на тысячу километров, и вы погибнете задолго до того, как почувствуете гравитацию. Поле деформирует электронные оболочки атомов, растворяет их и разрушает химию вашего тела как таковую. Такое поле не дается даром. Оно чудовищно напрягает твердую кору звезды, и время от времени кора не выдерживает и трескается. Это называют звездотрясением. Сдвиг поверхности на сантиметр выбрасывает в космос всплеск гамма- и рентгеновского излучения, который за долю секунды выделяет больше энергии, чем наше Солнце излучает за десятки тысяч лет. Это не абстракция. В начале двухтысячных вспышка одного магнетара, находящегося на другом конце нашей Галактики, за десятые доли секунды достигла Земли и заметно ионизировала верхние слои атмосферы. Космические аппараты, смотревшие в ту сторону, пришлось спасать. Их датчики были попросту ослеплены. Источник находился на расстоянии в десятки тысяч световых лет, то есть невообразимо далеко, и все равно оставил след в нашей атмосфере. Хорошая новость в том, что магнетары нестабильны. И живут активной жизнью недолго. Сверхсильное поле разрушает само себя примерно за десять тысяч лет, что по космическим меркам одно мгновение. Именно поэтому активных магнетаров известно всего около трех десятков, хотя погашших в Галактике должно быть много миллионов. Мы застали лишь узкое окно, в котором их вообще можно увидеть. Здесь самое время разобрать пару мифов, которые в комментариях появляются каждый раз. Первый звучит так. Нейтронная звезда — это почти черная дыра, и если она окажется поблизости, нас затянет. Это недоразумение. Гравитация зависит от массы, а не от плотности. И нейтронная звезда массой в полтора Солнца притягивает ровно так же, как притягивала бы полтора Солнца. Никакого особого засасывания нет. С расстояния в миллион километров она просто ведет себя как обычная звезда такой же массы. Убийственной становится не ее гравитация вообще, а градиент этой гравитации вблизи поверхности. Разница между притяжением на уровне ваших ног и на уровне головы, которая на подлете, разорвала бы тело раньше, чем вы что-либо почувствовали. Второй миф серьезнее. А может ли такая штука прилететь к нам? Формально — да. И это единственный пункт, где паника имеет хоть какое-то основание. При взрыве сверхновой выброс вещества почти никогда не бывает идеально симметричным, поэтому остаток получает мощный толчок, как выстрел из орудия. Некоторые нейтронные звезды несутся сквозь галактику со скоростью в сотни километров в секунду, а рекордсмены — быстрее тысячи. Это самые быстрые крупные объекты в нашей звездной системе, и часть из них движется настолько быстро, что вообще покинет галактику навсегда. Они холодные, темные, размером с город, и обнаружить такой снаряд заранее практически невозможно. Успокаивает единственное — расстояние. Пустого пространства между звездами столько, что вероятность встречи ничтожна, а ближайшая известная нам нейтронная звезда находится в сотнях световых лет, то есть по любым практическим меркам бесконечно далеко. Кстати, именно ее однажды удалось разглядеть в обычном видимом свете, а не только в радио и рентгене, и это до сих пор считается выдающимся наблюдательным достижением. Остывающий уголек размером с город, светящийся тусклым голубоватым светом на фоне пустоты. Самое интересное с нейтронными звездами происходит, когда у них появляется сосед. Одиночная звезда во Вселенной скорее исключение. Огромная часть светил рождается парами. И если один из партнеров превратился в нейтронную звезду, начинается долгая и не самая приятная для соседа история. Нейтронная звезда стягивает с компаньона вещество. Оно закручивается вокруг нее в диск, разогревается трением до миллионов градусов и светит в рентгене. Падая на поверхность, старый замедлившийся за миллионы лет пульсар может снова разогнаться до сотен оборотов в секунду. Астрономы называют такие объекты воскрешенными. Иногда накопленный на поверхности слой водорода детонирует разом и происходит термоядерный взрыв, охватывающий всю звезду. А если сосед тоже успел стать нейтронной звездой, то два эти объекта начинают по спирали сближаться. И здесь начинается финал, ради которого стоило все рассказывать. Двойная система из двух нейтронных звезд теряет энергию особым образом. Она излучает ее в виде гравитационных волн, то есть колебаний самой геометрии пространства. Орбита сжимается, скорость растет, и последние секунды они несутся друг вокруг друга со скоростью, сравнимой со световой. В момент касания приливные силы разрывают кору обеих звезд, и сверхплотное вещество, оказавшись вне чудовищного давления, взрывается. Такой взрыв называют килоновый. Именно это мы поймали в конце десятых годов. Детекторы гравитационных волн зафиксировали дрожание пространства, пришедшее из галактики на расстоянии около 130 миллионов световых лет. А через считанные секунды космические обсерватории увидели в том же месте вспышку гамма-излучения. Впервые в истории одно и то же событие было увидено и через гравитацию, и через свет. А потом, разобрав спектр после свечения, астрономы нашли то, что искали десятилетиями. При таком слиянии за секунды синтезируются самые тяжелые элементы таблицы. Платина, уран и золото. По оценкам, в том единственном столкновении родилось золото на несколько масс нашей планеты. Это и есть ответ на вопрос, откуда во Вселенной берется золото. Не из обычных звезд. Им это не под силу. Металл в вашем обручальном кольце был выкован при столкновении двух мертвых звезд задолго до того, как появилось Солнце. И потом миллиарды лет летел сквозь газовое облако из которого собралась Земля. После слияния возможны два исхода. Если суммарная масса осталась ниже предельной, рождается новая, еще более экзотическая нейтронная звезда. Если превысила, все схлопывается в черную дыру. И тут возникает вопрос, который логично напрашивается. А что произойдет, если нейтронная звезда встретится не с ровней, а с черной дырой? Такие события мы тоже уже ловили. Сценария здесь тоже два. Если черная дыра достаточно велика, она проглатывает звезду целиком, не разорвав. И снаружи не происходит вообще ничего. Ни вспышки, ни выброса. Самое разрушительное событие, какое можно вообразить, проходит в полной темноте и тишине. Если же массы сопоставимы, звезду сначала растягивает в длинную светящуюся струю. Часть вещества уходит за горизонт событий, часть разлетается и взрывается. А часть остается вращаться вокруг черной дыры раскаленным диском. Разница между беззвучным исчезновением и грандиозным фейерверком определяется всего лишь соотношением масс. Стоит сказать и про планеты, потому что они у нейтронных звезд есть. Более того, первые в истории планеты за пределами Солнечной системы были обнаружены именно у Пульсара, еще до того, как нашли планету у нормальной звезды. Ирония в том, что искали в самом безнадежном месте, а нашли раньше всех. Такие миры почти наверняка не были у своей звезды. Скорее всего, они собрались заново из обломков после взрыва Сверхновой, или были захвачены из межзвездного пространства, или являются обглоданными остатками звезды-соседки. Одна из самых удивительных находок такого рода это компаньон Пульсара, у которого было сорвано почти все вещество, а оставшееся сжалось и, судя по расчетам, кристаллизовалось. По сути, рядом с мертвой звездой обращается объект размером с крупную планету, состоящий в значительной степени из кристаллического углерода. Алмазная планета в буквальном смысле. Жизни там, разумеется, нет и быть не может. Поверхность любого мира рядом с Пульсаром непрерывно простреливается рентгеном и гамма-излучением. Отдельно стоит сказать о том, как выглядела бы такая звезда вблизи, если бы у нас был неуязвимый корабль. Вы не увидели бы ничего похожего на звезду. В небе висел бы небольшой шар, слишком яркий, чтобы смотреть на него прямо, и вокруг него все пространство было бы искажено. Звезды позади не заслонялись бы им полностью, а размазывались бы в кольцо по его краю, потому что свет обтекает такой объект. Поверхность выглядела бы неестественно ровной, без единой детали крупнее нескольких миллиметров. А над ней лежала бы атмосфера толщиной в тысячные доли миллиметра, прижатая гравитацией так плотно, что назвать ее воздухом язык не поворачивается. И над всем этим с частотой сотен раз в секунду проносились бы лучи излучения, невидимые глазу и смертельные. Пожалуй, главное, что стоит вынести из всей этой картины, мы говорим о теле, которое можно было бы разместить внутри кольцевой дороги среднего города, и при этом оно тяжелее Солнца, вращается быстрее лопастей Блендера и обладает самым сильным магнитом во Вселенной. Мы привыкли думать, что самое интересное во Вселенной — это черные дыры. Но черная дыра, если честно, объект скучный. У нее почти нет свойств, только масса, вращение и заряд, а все содержимое скрыто за горизонтом, откуда не приходит никакой информации. Нейтронная звезда — полная противоположность. Она открыта наблюдению целиком. У нее есть поверхность, кора, рельеф, атмосфера толщиной в микрометры, звездотрясения, вспышки и вращение, которое можно измерить с точностью лучше, чем у атомных часов. Это лаборатория, в которой природа поставила эксперимент. Невозможны ни в одном ускорителе на Земле. И это еще и наш собственный источник. Тяжелые элементы, из которых сложены земные горы, техника и наши кости, во многом выкованы при гибели и столкновении этих объектов. Каждый раз, когда где-то в галактике сливаются две мертвые звезды, во Вселенной становится немного больше вещества, из которого потом получаются планеты и живые существа. Мы, в буквальном смысле, собраны из праха звезд, которые умерли задолго до нашего появления, и самые ценные наши элементы пришли не из света, а из тьмы.