вращение нейтронной звезды

Два танцора на одной сцене: один тянет партнёра в одну сторону, другой — в противоположную. В кристалле Cu2(OH)3Br, известном как боталлакит, атомы меди выстраиваются в цепочки, где спины (магнитные моменты) соседних ионов то выстраиваются параллельно, как в ферромагнетике, то антипараллельно, как в антиферромагнетике.

Это как рекорд в беге на короткую дистанцию: чтобы побить его, нужна идеальная разбежка. Но у субмиллисекундных пульсаров разбежка слишком коротка. Самый быстрый известный пульсар PSR J1748-2446ad делает 716 оборотов в секунду — быстрее кухонного блендера. Если бы он был размером с Землю, точка на его экваторе двигалась бы со скоростью около 0,24 скорости света.

Представьте себе два волчка, запущенных на столе. Если они вращаются в одну сторону, их общее вращение велико; если навстречу друг другу — суммарное вращение может быть нулевым, хотя каждый волчок по отдельности вертится быстро. В паре нейтронных звёзд, сближающихся перед слиянием, роль таких волчков играют их собственные вращения — спины.

Воздушный шарик, из которого рывками выходит воздух, мечется по комнате — струя бьёт то в одну сторону, то в другую. Так же ведёт себя умирающая звезда, когда сбрасывает раздутую оболочку. Только вместо воздуха — раскалённый газ, а вместо шарика — будущий белый карлик (плотный остаток звезды размером с Землю, в котором вещество сжато до экстремальных плотностей).

В центре умирающей звезды, когда её ядро сжимается в нейтронный шар, рождается невидимый шторм. Триллионы нейтрино — частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом, — мечутся в раскалённой плазме. Их так много, что они начинают влиять друг на друга, меняя свои «вкусы» (ароматы: электронное, мюонное, тау-нейтрино) словно хамелеоны.

Шаровое скопление — плотный рой из сотен тысяч звёзд, гравитационно связанных в компактную сферу, — прошивает галактику, словно пуля воду. В обычной тёмной материи — невидимой массе, удерживающей галактики от разлёта, — оно должно быстро терять скорость из-за приливного трения.

Солнечная корона — внешняя, разреженная и чрезвычайно горячая атмосфера Солнца — живёт своей бурной жизнью. Магнитные поля здесь подчиняются движениям плотной поверхности — фотосферы, но иногда сами переписывают магнитный рисунок.

В самом центре Млечного Пути, вокруг невидимой сверхмассивной чёрной дыры, обращаются звёзды. Одна из них — S301 — совершает полный оборот всего за 8,7 лет. Её орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс: в перицентре звезда почти вплотную приближается к чёрной дыре, а затем уносится прочь.

Радиус звезды падает на тысячу километров. Не потому, что выросла её масса, а потому что собственное магнитное поле сдавило кору, словно невидимый корсет. В центре такого объекта — странный карлик — прячется кварковое ядро: сфера из странной материи весом с Солнце, но диаметром всего в три-четыре километра.

Карусель не просто кружит вас по кругу — при каждом обороте она ещё и слегка ввинчивается в землю. Это движение, похожее на штопор, и есть суть NUT-заряда — особого свойства пространства-времени, которое физики изучают с середины прошлого века.

89 миллисекунд. Именно столько длится сход вихревой лавины, которая резко ускоряет вращение пульсара Vela — одного из самых известных «сбойных» пульсаров. Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, рождающиеся в коллапсе сверхновых.

Карусель: лёгкую раскрутить проще, массивную — труднее. Примерно так же ведут себя нейтронные звёзды — сверхплотные остатки взорвавшихся светил. Астрономы заглянули в полсотни двойных систем, где одна нейтронная звезда вращается вокруг другой, и заметили: чем тяжелее звезда, тем длиннее её период вращения. Связь не жёсткая, но статистически заметная.

Две нейтронные звезды — сверхплотные остатки массивных светил — сливаются в одну, и пространство вокруг них вздрагивает: рождается гравитационная волна, рябь в самой ткани пространства-времени. Почти одновременно из места катастрофы вырывается узкий поток вещества — джет.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» заглянул в сердце остатка сверхновой SNR 0540-69.3 — того, что осталось после гибели массивной звезды в соседней галактике. Внутри, среди разлетающихся обломков, астрономы увидели чёткий рисунок: светящиеся сгустки и пустоты сложились в симметричный узор.

В 2017 году антарктический нейтринный телескоп IceCube зарегистрировал частицу с энергией около 290 ТэВ, пришедшую из глубин космоса.

Когда две нейтронные звезды кружатся друг вокруг друга, их тела не остаются жёсткими шарами. Гравитация партнёра растягивает каждую звезду, создавая приливные горбы — примерно как Луна поднимает воду в океанах Земли. Но в отличие от воды, здесь деформируется сверхплотная материя: чайная ложка такого вещества весит миллиарды тонн.

Когда две сверхплотные звезды кружатся в тесном танце, пространство вокруг них дрожит. Эту дрожь — гравитационные волны — ловят гигантские детекторы на Земле. Но расшифровать сигнал непросто: нужно понять, с чем именно мы столкнулись — с парой чёрных дыр или нейтронных звёзд.

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.

Среди сотен лун Солнечной системы Нереида исполняет самый отчаянный танец: то ныряет к Нептуну на 1,4 миллиона километров, то взмывает вдаль на 9,7 миллиона — и всё это за неполный земной год. Эксцентриситет 0,75 — клеймо захваченного скитальца. Десятилетиями её числили в пленницах пояса Койпера — ледяных странниц, сбившихся с пути.

Бросьте горсть монет на стол — каждая упадёт орлом или решкой сама по себе. А теперь монеты начинают переворачиваться, подталкивая друг друга. Примерно так ведут себя нейтрино в очень плотной среде.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так сильно, что атомные ядра слипаются в длинные тяжи и плоские листы. Астрофизики называют эти структуры ядерными макаронами. На их поверхности плотность вещества падает почти до нуля — как если бы вы вынырнули из густого киселя в разреженный воздух. Именно этот резкий перепад и создаёт необычный эффект.

Нейтронная звезда — это шар размером с город, но с массой, как у целого Солнца. Магнитное поле там способно разорвать атомы на расстоянии в тысячи километров.

Два стремительных потока заряженных частиц сталкиваются — и магнитные силовые линии начинают рваться и пересоединяться. Этот процесс питает вспышки на Солнце и полярные сияния. Обычно считалось, что все частицы ведут себя одинаково, как пули из одного ружья. Но у каждой частицы есть крошечный волчок — собственное вращение, или спин.

Две нейтронные звезды — это два шара размером с город, но с массой Солнца. Когда они сближаются по спирали, приливные силы растягивают каждую, как если бы гигантская рука сжимала и скручивала мячик для регби. Звезда начинает колебаться — внутри неё бегут волны плотности, словно круги по воде от брошенного камня.

Если ударить по колоколу, он загудит на одной высоте. А если внутрь поместить второй язык, и они будут звенеть, не задевая друг друга, — звук станет сложнее. Примерно так устроена и нейтронная звезда из новой работы. Это не просто раскалённый шар: внутри могут течь две несмешивающиеся жидкости — например, сверхтекучие нейтроны и обычная плазма.

Волчок крутится так быстро, что вот-вот разлетится. Добавьте к нему мощнейший магнит — такой, что окажись он на месте Луны, стёр бы данные со всех кредиток на Земле. Это магнитар: сверхплотный остаток взорвавшейся звезды, сгусток вещества, где чайная ложка весит как гора.

Нейтронная звезда — это стремительно вращающийся объект массой с Солнце, сжатый до размеров города, возникающий в результате взрыва сверхновой. Обычно её вращение постепенно замедляется, но иногда, без видимых причин, происходит внезапное ускорение — глитч.

Кристалл перовскитного иридата SrIrO₃ напоминает строй солдат, где каждый иридий несёт магнитный момент. Когда часть иридиевых «солдат» заменяют оловом, которое магнитным моментом не обладает, строй редеет.

Раньше астрономы рассчитывали массу галактик, упрощая их форму до идеальных сфер. Но галактика — это не шар, а плоский диск, похожий на гигантский блин. Новая модель «Потерянное и найденное» учитывает эту реальную геометрию: она суммирует гравитационное притяжение от всех частей диска, а не только от центральной выпуклости (балджа).

Ночное небо полно маяков, которые мигают по расписанию. Пульсары — это быстровращающиеся нейтронные звёзды, и их радиоимпульсы приходят с точностью часового механизма. Но есть и другие маяки: они молчат минутами, часами, а потом вдруг выдают одиночный импульс — и снова замолкают.

Нейтронная звезда — это сжатое ядро погибшего светила, объект размером с город, но с чудовищной плотностью. Некоторые из таких звёзд становятся пульсарами — космическими маяками, испускающими строго периодические импульсы излучения. Их магнитное поле в миллиарды раз сильнее земного; у магнитных полюсов оно вырывается наружу бурным фонтаном плазмы.

Электрон в обычном проводе — как курьер, который несёт и посылку, и подпись получателя одновременно: его заряд и спин всегда вместе. Но если провод сделать толщиной в один атом, курьеру становится тесно. В такой одномерной трубе электроны не могут обгонять друг друга, и их коллективное поведение меняется до неузнаваемости.

Когда два ядра свинца сталкиваются на огромной скорости, на миг рождается облако раскалённой материи — плотнее и горячее, чем в центре Солнца. Сквозь это облако летят струи частиц: узкие, как лазерные лучи, пучки, выбитые ударом. Детектор CMS ловит их следы и показывает, как струи меняются, продираясь сквозь горячий «туман».

Волчок, который крутится так быстро, что успевает сделать 220 оборотов за одну секунду, — именно такой объект поймал китайский радиотелескоп FAST. Это пульсар PSR J1810-0623, нейтронная звезда размером с город, но массой больше Солнца. Каждые 4,55 миллисекунды его радиолуч проносится мимо Земли, как маяк в космическом океане. Этот пульсар не одинок.

Нейтронная звезда — это город размером с мегаполис, сжатый до размеров небольшого астероида. Вокруг неё кипит плазма — газ из заряженных частиц, сквозь который бегут волны, как рябь по поверхности пруда. Волны бывают трёх сортов: альфвеновские (A), обыкновенные (O) и необыкновенные (X).

Красный гигант в созвездии Лебедя раздулся так, что его внешние слои перетекают на маленького, но тяжёлого соседа — белого карлика. Газ закручивается вокруг карлика, как вода вокруг слива в ванне, и падает на него. Но у CH Лебедя этот поток не спокойный: каждые 682.5 секунды рентгеновское излучение вспыхивает и гаснет. Это как маяк, который вращается и посылает луч.

Около 300 млн лет назад система Сатурна напоминала переполненный танцпол, где каждый неверный шаг мог привести к катастрофе. Самый массивный спутник, Титан, начал смещаться — и это движение, словно резкий толчок в толпе, вывело из равновесия соседей.

Луч лазера падает на блестящий кристалл — и возвращается уже другим: чуть смещённым по цвету, с иной поляризацией. В магнитном поле такое превращение света становится особенно заметным. Именно это увидели физики, когда направили лазер на кристалл CsPbBr3 (соединение цезия, свинца и брома) внутри магнита с полем до 10 тесла — примерно в 200 тысяч раз сильнее поля Земли.

Пульсар в Крабовидной туманности мигает как маяк: каждые 33 миллисекунды он посылает радиоимпульс, и так — с точностью атомных часов. Но иногда его вращение сбивается: звезда вдруг чуть ускоряется, будто внутри неё что-то проворачивается. Такие сбои считали случайными, как щелчки метронома, который иногда подталкивают.

Используя телескоп Keck и метод спектроскопии — анализ света, позволяющий по доплеровскому смещению линий определить скорость вращения объекта, — астрономы измерили 32 объекта в диапазоне от планет-гигантов до коричневых карликов.