состав нейтронной звезды

За орбитой Нептуна лежит океан из ледяных островов, который почти не изменился за четыре миллиарда лет. Эти острова, называемые транснептуновыми объектами, хранят рецепт рождения планет. До недавнего времени астрономы видели лишь крупные из них, а мелкие, размером с город, оставались невидимыми.

Снимок далёкой галактики, сделанный с Земли, похож на вид через матовое стекло: атмосфера размывает детали, и внутренняя структура остаётся скрытой. Астрономы давно хотели узнать, где именно в галактиках гаснет звездообразование, но наземные телескопы не позволяли разглядеть тонкие градиенты цвета.

Луч света, пролетающий мимо массивного тела, огибает его, как бегун огибает угол стадиона. Для нейтронной звезды этот угол отклонения обычно считается таким же, как для точечной массы. Но если звезда окутана невидимым гало из тёмной материи, картина меняется: свет, проходящий сквозь гало, отклоняется слабее, чем предсказывает полная масса.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Нейтронная звезда сжимает массу Солнца в шар диаметром с город, и вещество в её ядре плотнее атомного ядра. Как оно устроено, физики не могут проверить в лаборатории: нужное давление не создать. Уравнение состояния — связь давления и плотности энергии — остаётся главной загадкой.

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взрыва сверхновой: масса Солнца упакована в шар диаметром с город. Миллиарды лет она летит сквозь пространство, собирая вокруг себя невидимое вещество — тёмную материю, которая не излучает свет, но притягивает гравитацией.

Высоко в горах, где воздух прозрачен и тих, физики готовятся ловить неуловимых гостей из космоса — нейтрино, частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом. Эти лептоны, словно призраки, проходят сквозь Землю, почти не оставляя следов. Но иногда нейтрино всё же врезается в атом, рождая ливень частиц, который можно зарегистрировать.

Сто сорок парсек — расстояние, которое свет преодолевает за четыре с половиной столетия — отделяют нас от молекулярного облака Тельца. В его недрах прячутся тёмные сгущения: дозвёздные ядра, где газ и пыль медленно сжимаются под собственной тяжестью. Каждая пылинка здесь — микроскопическое ядро конденсации, одетое в мантию из водяного льда.

Нейтронная звезда — это кипящий котёл диаметром с город, но массой как полтора Солнца. В её глубинах вещество сжато так, что атомные ядра теряют смысл. Там рождаются странные формы материи: каонный конденсат (похожий на сверхтекучую жидкость) и нейтронные звёзды с гиперонами (тяжёлыми частицами).

Вода в стакане кажется сплошной, но состоит из молекул. Примерно так же физики долго описывали вещество внутри нейтронной звезды — как однородный суп из протонов и нейтронов. Но настоящие нейтронные звёзды не суп. Это тесная толпа частиц, где каждый нейтрон чувствует соседа. Авторы новой работы отказались от однородной картины. Они взяли за основу необычный инструмент — голографию.

Чайная ложка с горкой — и весы показывают миллиард тонн. Примерно столько весило бы вещество нейтронной звезды, если бы его удалось зачерпнуть и взвесить. Такие объекты рождаются после взрыва сверхновой: ядро звезды сжимается в шар диаметром с город, а плотность становится выше, чем в атомном ядре. Внутри этого шара привычные нам атомы исчезают.

В сердце каждой нейтронной звезды скрыта симфония — сложное переплетение квантовых полей и релятивистской гравитации. Почти век назад Фриц Цвикки описал эти объекты как «звёзды-атомы», а Джоселин Белл Бернелл подарила нам их голос — строгий ритм пульсаров.

Чайная ложка вещества нейтронной звезды весит как гора. Но у этой горы может быть невидимый близнец. В недрах нейтронной звезды обычное вещество спрессовано до немыслимых плотностей. Там протоны и нейтроны могут растворяться в кварковый суп.

Атмосфера Титана, открытого Христианом Гюйгенсом, представляет собой плотную дымку, непрозрачную для обычных телескопов.

В ледяном поясе за орбитой Нептуна астрономы зафиксировали редкое событие: объект (612533) 2002 XV93 на мгновение заслонил далёкую звезду. Это явление, известное как покрытие, лежит в основе метода прохождений — когда небесное тело, подобно мухе перед лампой, на секунду приглушает свет звезды.

Атомное ядро похоже на каплю с тонкой оболочкой — нейтронной «кожей». Внутри капли протоны и нейтроны перемешаны равномерно, а снаружи, как пенка на молоке, собирается слой, где нейтронов заметно больше.

Внешняя корка нейтронной звезды похожа на слоёный торт, где каждый слой — строго определённый сорт начинки. Это кристаллическая решётка из атомных ядер, погружённая в море электронов. Чем глубже, тем сильнее давление — и тем тяжелее ядра, которые могут там существовать, не разваливаясь.

На кухне стоит ведро с водой и такое же ведро с песком. Высыпаем песок в воду — и получаем смесь, где песка ровно в пять раз больше, чем воды. Примерно так устроена наша Вселенная: обычного вещества, из которого сделаны звёзды, планеты и мы сами, — одна часть, а неуловимой тёмной материи — пять.

Нейтронная звезда — это остаток взорвавшейся звезды, сжатый до размеров города. На её поверхности иногда вспыхивает термоядерный пожар: накопленный газ взрывается, как гигантская водородная бомба. После вспышки остаётся пепел — смесь тяжёлых элементов, которая поднимается к поверхности и образует горячую атмосферу.

Кастрюля, в которой кипит суп из трёх ингредиентов. Повар меняет пропорции на ходу, и за этим следят по положению точки на треугольной шкале. Примерно так физики разбираются с нейтрино от взрыва сверхновой. Когда ядро звезды сжимается до чудовищной плотности, рождается поток нейтрино — лёгких частиц, почти не взаимодействующих с веществом.

Массивные горячие звёзды — это настоящие космические «кухни», где в ходе термоядерных реакций синтезируются тяжёлые элементы. Завершают они свою жизнь грандиозными взрывами сверхновых, разбрасывая «приготовленное» по Галактике.

Вселенная — это исполинская паутина из невидимой тёмной материи и галактик, растягиваемая расширением пространства. Нейтрино — почти неосязаемые частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом, — почти не цепляются за нити, но их общая масса неуловимо меняет натяжение всей сети.

Протон — не сплошной шарик. Его заряд, масса и другие свойства распределены в пространстве по-разному, и у каждого свойства свой радиус. Физики давно умеют измерять, где сосредоточен заряд протона и где его масса. Теперь они добрались до ещё одной характеристики — барионного числа, то есть числа, которое показывает, сколько тяжёлых частиц (барионов) участвует в процессе.

Если окружить звезду гигантской оболочкой, мы получим сферу Дайсона — конструкцию, поглощающую всё излучение светила и переизлучающую его в инфракрасном диапазоне, то есть в виде тепловых волн. Такие объекты пока не обнаружены, но астрономы знают: искать их следует именно по этому тепловому сиянию.

Тонкий кристалл гексагонального нитрида бора — родственник графита, только прозрачный и диэлектрик. В его решётке иногда встречаются одиночные дефекты: атом бора или азота отсутствует, и на его месте образуется ловушка для электронов. Такая ловушка способна поглощать свет и испускать его обратно, как крошечный фонарик.

В глубине космоса есть облако газа, похожее на ожерелье с яркими бусинами. Это туманность Ожерелье — остатки звезды, которая когда-то раздулась и поглотила своего соседа. В центре осталась пара: маленькая горячая звезда и её раздувшийся компаньон, богатый углеродом.

В двойной системе Cyg X-2 нейтронная звезда перетягивает вещество с обычной звезды-компаньона. Падающий газ закручивается, разогревается до миллионов градусов и ярко светит в рентгене. Астрономы направили на этот объект два космических телескопа — IXPE и NuSTAR — и впервые детально измерили, как поляризован этот свет.

Свет от далёкого источника, проходя рядом с нейтронной звездой, искривляется, как луч фонарика в кривом зеркале. Астрофизики запустили численный эксперимент: пустили лучи назад от наблюдателя к звезде и посмотрели, какую картинку увидит телескоп. Внутри звезды вещество сжато так, что его поведение описывается простым уравнением — чем сильнее сжатие, тем жёстче отпор.

В центре нашей Галактики — густой лес из пыли и газа. Свет от звёзд с трудом пробивается сквозь эту чащу, как фонарик в тумане. Но именно там, в этом плотном облаке, рождаются новые звёзды. Учёные решили заглянуть в этот туман. Они взяли свет от 15 ярких звёзд, которые просвечивают сквозь холодные облака. Лёд на пылинках в этих облаках оставляет свой след в свете — как отпечатки пальцев.

В 300 световых годах от нас звезда танцует с невидимым партнёром. Одна её сторона разогрета сильнее другой — словно незримый танцор дышит на неё горячим ветром. Этот партнёр — нейтронная звезда: звёздный огарок размером с город, но такой плотный, что чайная ложка его вещества перевесила бы Эверест.

Сверхмассивные тела искривляют пространство-время, превращаясь в гравитационную линзу, которая преломляет свет далёких объектов. Этот эффект, известный как искривление пространства-времени, позволяет астрономам разглядеть невидимое — объекты, которые сами не излучают, но выдают себя, искажая лучи фоновых галактик.

С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» — самого мощного инструмента для наблюдений в инфракрасном диапазоне — астрономы заглянули в космическую гримёрку и увидели, как меняются кольца астероида Харикло.

Астрономы долго не могли объяснить, почему в «пустыне горячих нептунов» — области вплотную к звёздам — почти нет планет размером с Нептун. Считалось, что в такой близости к звезде атмосфера неизбежно испаряется, оставляя лишь голое каменное ядро.

В центре остатка сверхновой SN 1987A, в 168 000 световых лет от Земли, спрятан объект, который астрономы ищут уже 37 лет. Это ближайшая сверхновая, взорвавшаяся на глазах у современных телескопов, и единственная, где компактный остаток до сих пор не удалось увидеть напрямую.

Высоко над Землёй летит спутник, а внутри него — прибор размером с небольшой шкаф. Он ловит частицы, которые миллиарды лет мчались сквозь галактику и наконец врезались в детектор. Такие частицы называют космическими лучами, и они приносят вести о далёких взрывах звёзд. Прибор NUCLEON на спутнике «Ресурс-П» полгода собирал эти «письма из космоса».