Нейтронные звезды — это призраки гигантских звезд: ядра раскаленной материи, оставшиеся после сверхновых. Чтобы остыть, им требуются целые эоны. Но как именно это происходит — долгое время оставалось загадкой. Что ж, теперь мы знаем, что во всем виновата… паста.
Ученые доказали, что необычные свойства нейтронных звезд обусловлены ядерной «пастой» — уникальным состояние материи
Можно подумать, что сверхплотные звездные трупы заполнены спагетти, но это не так. Вместо этого нейтронные звезды охлаждаются, выпуская эфирные частицы, известные как нейтрино. И новое исследование показывает, что они выполняют эту задачу благодаря промежуточному типу вещества, известному как «ядерная паста»: волнистому, свернутому в спираль материалу, в котором атомы смешиваются, но не до конца — он в самом деле напоминает макароны. Подобная структура ядерной «пасты» создает внутри звезд области с низкой плотностью, позволяя нейтрино и теплу выйти наружу.
Чайная ложка вещества, соскобленного с поверхности нейтронной звезды, будет весить миллиарды тонн — больше, чем все человечество вместе взятое. Такая плотность помогает звездному веществу очень хорошо удерживать тепло. И если наше Солнце, которое считается желтым карликом, выделяет большую часть своего тепла в виде света, нейтронная звезда попросту не дает своим фотонам улететь в космос. Тем не менее, бушующие звёзды-нежить — каждая размером с крупный город — в конце концов успокаиваются и остывают, в основном за счет испускания нейтрино.
Чтобы понять, как именно это происходит, исследователи внимательно изучили материю нейтронных звезд. Результаты их работы опубликованы в журнале Physical Review C.
Обычные звезды состоят из атомов: крошечных шариков протонов и нейтронов, окруженных относительно крупными вращающимися облаками электронов. Между тем, недра нейтронных звезд настолько плотны, что атомная структура разрушается, создавая огромный океан так называемой ядерной материи. Вне нейтронных звезд ядерная материя представляет собой густой «коктейль» из протонов и нейтронов. И его поведение регулируется сложными правилами, которые ученые до сих пор не полностью понимают.
Паста — это промежуточная стадия между обычным и ядерным веществом.
«Паста — это нечто среднее между ядерной материей и обычной материей, — рассказал соавтор исследования Чарльз Горовиц, физик из Университета штата Иллинойс. — Когда в нейтронной звезде материя сжимается под колоссальным давлением, ядра становятся все ближе и ближе друг к другу и в конце концов начинают соприкасаться. И вот тогда происходят очень странные вещи».
Ученые выяснили, что в какой-то момент давление поднимается настолько высоко, что структура обычной материи полностью разрушается до недифференцированного ядерного бульона. Но как раз перед тем, как это произойдет, она превращается в ту самую ядерную «лапшу».
В таком состоянии кулоновское отталкивание (сила, которая отталкивает заряженные частицы) и ядерное притяжение (сила, связывающая протоны и нейтроны вместе на очень коротких расстояниях) начинают действовать друг против друга. В областях, где ядра соприкасаются, но атомная структура полностью не разрушена, материя принимает сложные формы, называемые «пастой». У ученых есть слова для обозначения различных разновидностей этого вещества: ньокки, вафли, лазанья и антиспагетти.
Основная формула образования нейтрино в нейтронной звезде проста: нейтрон распадается, превращаясь в немного более легкий протон с низкой энергией и сверхлегкое нейтрино. Это простой процесс, который происходит в космосе повсеместно, в том числе на нашем Солнце. (Кстати, прямо в эту секунду через ваше тело течет огромный поток солнечных нейтрино.)
Но для того, чтобы этот рецепт сработал, должны быть подходящие условия. А в нейтронной звезде все переворачивается с ног на голову.
Нейтронные звезды, как следует из названия, содержат множество нейтронов, и все они движутся с высокой энергией и большим импульсом. Но рецепт нейтрино требует получения протона с низкой энергией, почти без импульса. Однако импульс не может исчезнуть просто так, согласно первому закону движения Исаака Ньютона.
Легкие нейтрино не могут получить весь импульс относительно громоздких распадающихся нейтронов. Таким образом, единственный выход для импульса — это окружающая среда.
Однако плотная и жесткая ядерная материя — ужасное место для сброса импульса. Это похоже на вождение спортивного автомобиля на высокой скорости по толстой гранитной плите; камень почти не сдвинется с места, а машина будет раскачиваться, потому что ее импульсу больше некуда деваться. Простые модели эмиссии нейтронных звезд с трудом объясняют, как ядерная материя может поглотить достаточно импульса, чтобы нейтрино улетели в космос.
Новая показала, что ядерная паста решает большую часть этой проблемы. Ее спиральные, слоистые формы имеют области с низкой плотностью. При этом сама паста может сжиматься, поглощая импульс волнообразным движением. Это как если бы эта гранитная стена была установлена на пружине, которая сжималась при ударе автомобиля.
Исследователи показали, что выбросы нейтрино из ядерной пасты, вероятно, намного более эффективны, чем выбросы нейтрино в ядре нейтронной звезды. Это означает, что большая часть охлаждения в самом деле связана с пастой.
По словам Горовица, это исследование действительно предполагает, что нейтронные звезды остывают медленнее, чем ожидалось. Значит, они живут дольше, а потому наш взгляд на структуру пространства-времени необходимо будет изменить, чтобы учесть сверхъестественную стойкость «мертвых» звезд при экстремальной жаре на протяжении целых эпох.