Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

И если, например, NICER обнаружит звезду с меньшей массой и большим радиусом, чем принятые сейчас верхние пределы, a LIGO обнаружит звезду с большей массой и меньшим радиусом, это будет означать, что с частицами в ядре звезды может происходить что-то действительно интересное, и это многое скажет нам о том, какой вид вещества создает нужное давление, и ограничит тип моделей. “Если эти наблюдения приведут к двум разным точкам зрения, к двум разным типам нейтронных звезд, это может позволить нам не только точно понять, как ведет себя уравнение состояния, но также выяснить, какие частицы или фундаментальные взаимодействия заставляют его вести себя таким образом”, – говорит Хациоанну.
Мы могли бы исключить лишние модели, сведя воедино наши знания о фазовых переходах, скорости охлаждения, о том, как различные частицы уносят энергию при излучении и как нейтронные звезды со временем замедляют свое вращение. А будущие эксперименты на коллайдерах с кварк-глюонной плазмой со временем могут дать нам более ясное представление о том, что находится внутри этих плотных тел.
Но сможем ли мы когда-нибудь отбросить все теории, кроме одной-единственной? Хациоанну не до конца в этом уверена. “Зная теоретиков, скажу, что это маловероятно. Они всегда строят новые теоретические модели, объясняющие наблюдения, особенно если эти наблюдения противоречат существующей точке зрения. Возможно, мы сумеем отбросить такие экстремальные модели, как большие кварковые ядра, но всегда остается вероятность того, что в ядре имеется небольшое количество кварков. Невозможно исключить все”.
  
Глава 6
 
Как нейтронные звезды убивают теории темной материи
 
Газ, пыль, миллионы и миллионы звезд, некоторое количество пульсаров и черная дыра – монстр, в несколько миллионов раз более массивная, чем наше Солнце, – примерно так выглядит центр нашей Галактики. Здесь бьется сердце Млечного Пути, и вокруг него в течение вот уже 13,5 миллиарда лет обращаются все звезды и планеты. Это место очень плотно заселено. Настолько плотно, что с помощью оптических телескопов невозможно ничего разглядеть – свет с длиной волны, лежащей в видимой части спектра, просто не может пробиться через всю эту толщу пыли и газа. К счастью, инфракрасным волнам и длинноволновому радиоизлучению это удалось, и они рассказали нам о том, что помимо газа там обитают старые красные сверхгиганты, а также несколько миллионов более молодых массивных звезд, которые через много миллионов лет взорвутся сверхновыми1.
В июне 2018 года, незадолго до официальной инаугурации установленного в Северной Африке радиотелескопа MeerKAT, которая состоялась 13 июля, астрономы на короткое время направили его “взор” на центр Галактики и сделали снимок. В результате было получено четкое и детальное изображение центра Млечного Пути, самое лучшее из всех когда-либо полученных. Оно похоже на снимок костра или горящей печи: огненные нити тянутся во всех направлениях, причудливые круглые облака на левой стороне изображения напоминают выходящий из трубы дым. Два огромных радиопузыря, один вытянувшийся вверх, другой – вниз, похожи на песочные часы. Прячущийся монстр в центре – сверхмассивная черная дыра Стрелец А*2.
Но есть еще кое-что. Астрономы думают, что центр скрывает еще один секрет – некую материю, совершенно невидимую для всех наших приборов. Считается, что масса этого необычного вещества в пять раз превышает массу обычной, привычной нам материи, состоящей из атомов, которую ученые называют барионной материей и с которой мы все знакомы, – той самой, из которой образованы звезды, газ, планеты, вы, я и мой кот Кварк. Мы не знаем, что представляет собой эта таинственная материя, которую впервые ввел в свою теорию физик Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института, заметивший, что она нужна нам для объяснения наблюдаемого движения звезд и галактик. И теперь мы называем ее просто “темной материей”.
Около 23 % Вселенной составляет темная материя, 72 % – таинственная темная энергия, и только чуть менее 5 % составляет обычная материя. Есть только одна проблема: каждый раз, когда ученые думают, что нашли ключ к разгадке природы темной материи, они сталкиваются с одним и тем же старым неприятелем, который появляется перед ними и разбивает их теории в пух и прах. Этот неприятель – нейтронная звезда.
 
Большинство астрономов считает, что у них достаточно косвенных доказательств того, что темная материя существует. Они видят, как ее гравитация притягивает звезды, как она искривляет свет, который проходит рядом с ней, и все это складывается в единую картину, но только если считать, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна правильно описывает гравитацию как свойство массивных объектов искривлять пространство-время3.
Существуют альтернативные теории гравитации, которые пытаются объяснить строение нашей Вселенной без предположений о существовании темной материи или темной энергии, но эти теории ведут свои собственные битвы с нейтронными звездами. (Подробнее об этом см. главу 8.)
Тем не менее, если общая теория относительности верна, мы просто не можем объяснить движение наблюдаемой обычной материи под действием гравитации без предположения о существовании темной материи. Как и в случае многих, казалось бы, далеких от реальной жизни теорий, и эта ведет свое начало от Цвикки, который еще в 1933 году впервые предположил связь нейтронных звезд со сверхновыми. Примерно в то же время он изучал галактики и скопления галактик, сходные с нашим собственным скоплением – Местной группой, в которую входят Млечный Путь, галактика Андромеда и многие другие (карликовые) галактики. Цвикки знал, что галактики в скоплении обращаются вокруг центра масс скопления, а также вокруг своей оси и, кроме того, взаимодействуют друг с другом.
Но он хотел убедиться в этом сам. Он убедил Калтех построить восемнадцатидюймовый телескоп с большим полем зрения и сфотографировал скопление галактик Кома (Волосы Вероники), находящееся примерно в 323 миллионах световых лет от Земли. Это скопление содержит более тысячи галактик. На каждом снимке, который сделал Цвикки, оказалось большое количество галактик, и он просуммировал светящееся вещество (звезды и газ, которые он смог разглядеть в телескоп) в скоплении. Он также вычислил скорость движения галактик и понял, что масса скопления намного больше суммарной массы светящегося вещества. Результаты были поразительными. Галактики, казалось, двигались слишком быстро, и при такой скорости и рассчитанной массе не могли оставаться связанными в единое скопление с помощью гравитационных сил. С такой небольшой массой светящегося вещества и создаваемой им гравитацией скопление галактик Кома должно было просто распасться. И наоборот, наблюдаемые гравитационные силы требовали присутствия в четыреста раз большего количества вещества, и Цвикки назвал это избыточное вещество Dunkle Materie, что в переводе с немецкого означает “темная материя”. Теорией Цвикки не сильно интересовались вплоть до последних десятилетий, но название сохранилось.
Только в 1970-х годах ученые осознали, что Цвикки оказался в главном прав [24]. Два американских астронома, Вера Рубин и Кент Форд, вычисляли массу соседней с нами галактики Андромеда, измеряя скорость звезд в ней. Как и Цвикки в ситуации со скоплением Кома, они обнаружили аномалию. Галактика Андромеда – спиральная галактика, похожая на Млечный Путь, с галактическим балджем и диском, заполненными межзвездным газом и звездами. До работы Рубин астрономы предполагали, что звезды обращаются тем быстрее, чем ближе они к своему галактическому центру, а спиральные рукава, расположенные дальше, должны двигаться медленнее из-за более слабого притяжения. Однако Рубин увидела, что это не так: звезды на окраинах галактики обращались с такой же скоростью, как и те, что были ближе к центру галактики Андромеда. Это означало, что галактика должна быть заполнена чем-то невидимым, обладающим достаточным притяжением, чтобы удерживать всю систему вместе, – какой-то загадочной “темной материей”, которая помогает обычной материи двигаться с одинаковой скоростью во всей галактике. Позже Рубин и Форд провели аналогичные вычисления применительно ко многим другим галактикам и показали, что плоские кривые вращения [25] характерны для всех рассмотренных ими галактик, и тем самым привели убедительный аргумент в пользу существования там темной материи.