уравнение состояния нейтронной звезды

В недрах субнептунов — планет, которых в Галактике больше всего, но на которых нельзя стоять — силикатная магма и водород смешиваются в один сверхкритический коктейль. Раньше считалось, что под плотной водородной атмосферой лежит чёткая граница с расплавленным силикатом, как масло над водой.

В центре нейтронной звезды вещество сжато так, что чайная ложка весит миллиард тонн. Казалось бы, лучше места для поиска следов квантовой гравитации не найти. Но между лабораторией и фундаментальным масштабом — пропасть в 10⁸⁰ раз по плотности. Три двери ведут в эту комнату.

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток после взрыва массивной звезды. Вещество в ней сжато до такой степени, что чайная ложка его вещества весила бы миллиарды тонн. В этих экстремальных условиях привычные протоны и нейтроны могут перестраиваться, порождая новые частицы — гипероны.

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.

Два ядра с одинаковым числом частиц, но разной формой нейтронной шубы, сталкиваются на скорости, близкой к скорости света. Рутений-96 и цирконий-96 — как два близнеца, у одного из которых шуба чуть толще. Эта разница меняет, как частицы переносят заряд в огненном шаре столкновения. Нейтронная шуба — это слой нейтронов на поверхности ядра.

Слияние двух нейтронных звёзд — это не просто столкновение. Ещё до касания они деформируют друг друга приливными силами, и эта деформация зависит от того, насколько «мягкая» или «жёсткая» материя внутри. Жёсткая материя сопротивляется сильнее, мягкая — легче меняет форму.

Космический «штангенциркуль» скоро обмеряет нейтронную звезду с точностью до сотни метров. Для объекта диаметром в пару десятков километров это всё равно что измерить толщину человеческого волоса с расстояния в километр. Нейтронная звезда — остаток взорвавшейся сверхновой. Вещество в ней сжато так сильно, что чайная ложка весила бы миллиарды тонн.

10¹⁵ Гаусс — такое магнитное поле обнаружили у некоторых белых карликов. Оно в миллиарды раз сильнее того, что показывает компас на Земле. Белый карлик — не звезда в привычном смысле, а остывшее ядро размером с планету. Внутри него гравитация противостоит давлению вырожденных электронов.

Взрыв сверхновой сбрасывает внешние слои умирающей звезды. Остаётся ядро — нейтронная звезда, упакованное в шар диаметром с город. Существование таких звёзд ещё в 1934 году предсказал Фриц Цвикки.

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 2017 году детекторы LIGO и Virgo записали дрожь пространства-времени от столкновения двух нейтронных звёзд — событие GW170817. За первым всплеском последовало послезвучие: килогерцевые колебания только что родившегося сверхплотного остатка. Этот сигнал — не просто шум, а голос самой материи, сжатой до немыслимых пределов.

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.

Нейтронные звёзды — последние сгустки видимой материи перед падением в чёрную дыру. В их недрах материя сжата до триллионных плотностей. Здесь ядерные силы и гравитация сплетаются в экзотическую субстанцию, недоступную никакому земному ускорителю.

Старый завод, где вместо станков — атомные ядра, а вокруг кипит нейтринное излучение. Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро сжимается в сотню раз, а температура взлетает до миллиардов градусов.

Атомное ядро — не просто шарик из протонов и нейтронов. У него есть форма, и эта форма может меняться. Ядро олова-116 долго считали почти идеальным шаром: у него 50 протонов — «магическое» число, которое обычно придаёт ядру сферическую симметрию. Но новое сверхточное измерение показало иное. Физики применили метод кулоновского возбуждения.

Атомное ядро — не просто мешанина из протонов и нейтронов. Частицы внутри него выстраиваются слоями, как зрители на стадионе: нижние ряды заполнены, и каждый следующий протон или нейтрон ищет место на ярусе повыше. Когда ряд заполнен до конца, ядро становится особенно устойчивым — физики называют это магическим числом.

Бозонные звёзды — это гравитационные атомы. Только вместо электрического заряда ядром служит сама гравитация, удерживающая облако скалярного поля в квантованных сгустках. Ещё в 1930-х Ф. Цвикки заподозрил нехватку видимой массы в скоплениях галактик, а В.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была наполнена горячей, почти однородной плазмой. Но в некоторых местах плотность могла случайно оказаться чуть выше. Если такой сгусток набирал критическую массу, он схлопывался в чёрную дыру — так рождались первичные чёрные дыры.

Горячий младенец и холодный взрослый — одна и та же нейтронная звезда выглядит по-разному. Едва родившись во взрыве сверхновой, она раскалена до десятков миллиардов градусов. Но проходит время, и она остывает, сжимаясь, как остывающий металл. Для звезды PSR J1012+5307 этот переход означает почти двукратное уменьшение радиуса.

Нейтронные звёзды — финальный аккорд в эволюции массивных светил. Рождённые в катаклизме сверхновой, они сжимают массу, сравнимую с солнечной, в шар размером с земной мегаполис.

Нейтронная звезда — это огрызок взорвавшегося гиганта, сжатый до размеров города. Чайная ложка её вещества весит миллиард тонн. Внутри такой звезды частицы упакованы так плотно, что начинают проявляться квантовые эффекты. Один из них — собственное вращение частиц, или спин.

В недрах массивной нейтронной звезды, где чайная ложка вещества весит, как гора, кварки стиснуты до немыслимой близости.

Внутри нейтронной звезды материю сдавливают так, что атомные ядра перестают быть отдельными комочками. Нейтроны и протоны приближаются друг к другу, и их внутренности — кварки — начинают чувствовать соседей сквозь стенки своих «мешков». Нейтронная звезда — это шар радиусом с небольшой город, но массой как полтора Солнца. Чайная ложка её вещества весит миллиарды тонн.

Фигурист на льду прижимает руки к телу — и его вращение резко ускоряется. Когда массивная звезда исчерпывает топливо и её ядро схлопывается, происходит нечто похожее, только в космических масштабах. Ядро сжимается в шар размером с город, и если оно быстро вращается, внутри может возникнуть особая нестабильность.

Две сверхплотные звезды кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. Этот танец длится мгновения, но порождает мощную рябь в пространстве — гравитационные волны. После слияния остается быстро вращающийся сгусток, который звенит, как колокол, и этот звон несет информацию о том, из чего состояли звезды.

Ядро нейтронной звезды можно уподобить натянутой струне сверхъядерной плотности. Звук, бегущий по ней, — это колебания давления, чья скорость $$c_s$$ выдаёт жёсткость материи. Новое исследование показывает, что эта космическая струна не гудит монотонно.

Нейтронная звезда — это то, что остаётся после взрыва массивной звезды. Вещество в ней сжато так сильно, что чайная ложка весила бы как гора. Но что именно происходит в самой глубине, где протоны и нейтроны могут рассыпаться на кварки, остаётся загадкой.

Если сжать горсть песка в кулаке, он сначала уплотнится, но потом начнёт сопротивляться — крупинкам уже некуда деваться. В недрах нейтронной звезды происходит нечто похожее, только вместо песчинок — элементарные частицы, а вместо руки — чудовищная гравитация.

Пружину сжимают со страшной силой. Чем сильнее давишь, тем она плотнее, но в какой-то момент сжатие перестаёт быть равномерным — где-то пружина поддаётся легче, где-то жёстче. Примерно так же ведёт себя вещество внутри нейтронной звезды — объекта, рождённого в пламени сверхновой. Это шар размером с город, но с массой, превышающей солнечную.

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.

В переполненном зале, где кружатся пары, порой пробегает волна: одни пары распадаются, другие возникают, и движение подхватывает всех. Похожим образом ведёт себя густое облако нейтрино — мельчайших частиц, которые почти не замечают вещества.

Два арбуза одинакового веса лежат на прилавке. Один — спелый, сочный, с толстой коркой. Второй — словно вырезан из дуба: внутри он совсем иной, и сжать его почти невозможно. На вид они близнецы, но стоит постучать — и разница очевидна. Примерно так астрофизики описывают «звёзды-близнецы» — нейтронные звёзды одной массы, но с принципиально разной начинкой.

Плотность в центре нейтронной звезды такова, что чайная ложка её вещества весила бы как гора. Физики давно пытаются понять, насколько массивной может быть такая звезда, прежде чем она схлопнется в чёрную дыру.

Когда массивная звезда исчерпывает ядерное топливо и схлопывается в сверхновую, рождается нейтронная звезда — объект диаметром с небольшой город, но с массой, сравнимой с солнечной. Её вещество сжато до такой степени, что одна чайная ложка этого материала весила бы больше, чем гора Эверест.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро когда-то взорвавшейся звезды, сжатое до размера города. Если рядом есть обычная звезда, нейтронная звезда перетягивает с неё вещество, как пылесос. Это вещество падает на поверхность и образует корку — твёрдый слой из атомных ядер, богатых нейтронами.

В 2019 году детекторы гравитационных волн поймали сигнал от слияния далёких объектов. Один из них был чёрной дырой в 23 массы Солнца. Второй весил всего 2,5 солнечных массы — и это странно. Обычно нейтронные звёзды не бывают тяжелее двух масс Солнца: при большей массе они сжимаются в чёрную дыру.

Задолго до этого Фриц Цвикки предсказал, что после взрыва сверхновой рождается крошечная, но чрезвычайно плотная нейтронная звезда — объект размером с город, где вещество сжато так, что атомные ядра теснятся вплотную.

Внутри нейтронной звезды вещество сжато так плотно, что одна чайная ложка весит как гора. При таком давлении обычные частицы — протоны и нейтроны — могут превращаться в экзотические частицы, которые называют гиперонами. Эти частицы похожи на нейтроны, но содержат странные кварки.