Если вы специально не искали на Хабре статьи по тегу «Нейтронные звёзды», то можете и не догадываться, насколько излюбленной и вечнозелёной является здесь эта тема. Эти экзотические объекты (в компании с пульсарами, также представляющими собой нейтронные звёзды) могут сравниться по популярности разве что с чёрными дырами, но и сами статьи о них зачастую получаются крутыми и захватывающими. Так, я в своё время нашёл блог уважаемого Антона @Lirts, обнаружив настоящий шедевр — статью «Нейтронные звёзды — насколько они нейтронные?». С тех пор он, правда, ничего не писал, но все его три статьи сделаны на очень высоком уровне как в фактическом, так и в стилистическом отношении.
Но, возвращаясь к задуманной теме — отмечу, что в последнее время появились удивительные модели и гипотезы, предполагающие, что в недрах нейтронных звёзд материя может существовать в форме чистых кварков, и первый объект, косвенно напоминающий кварково-нейтронную звезду, был найден чуть более чем через два месяца после выхода вышеупомянутой статьи @Lirts Далее разберу эту тему подробнее.
Кратко о кварках
Все наблюдаемые объекты, от звёзд до графеновых плёнок, состоят из атомов. Атом состоит электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. В составе каждого протона и нейтрона находится по три кварка, которые удерживаются вместе благодаря сильному взаимодействию и участию частиц-глюонов (от английского «glue» = «клей»). Вот как можно схематически изобразить атом гелия (в нём два протона, два электрона и два нейтрона).
Таким образом, протоны и нейтроны не являются подлинно элементарными частицами, так как разложимы на более мелкие элементы (кварки и глюоны), а электроны — являются. Кварки, как и электроны, являются фермионами, а глюоны являются бозонами. Это две базовые категории элементарных частиц, и между этими категориями существует такое принципиальное отличие: одинаковые бозоны могут соседствовать друг с другом, а одинаковые фермионы — не могут. Таким образом, поскольку фотоны — это бозоны, свет может образовывать лазерный луч. Напротив, поскольку электроны — это фермионы, они образуют в атоме не хаотичное облако, а систематически заполняют энергетические уровни. Отличную статью о двух этих типах частиц разместил на Хабре уважаемый @SLY_G.
Эта картина также сложнее, чем кажется — например, странные кварки названы таким образом за своё длительное время жизни и рано или поздно странный кварк распадается на верхний и нижний. В одной из статей на Хабре я разбирал, почему протон отказывается самопроизвольно распадаться, а также почему кварки неразделимы и неизвлекаемы из ядра.
Раздел физики, изучающий взаимодействие кварков и глюонов, называется «квантовой хромодинамикой», её основы заложили Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Стабильное химическое соединение, не содержащее атомов, а состоящее только из кварков и глюонов, называется «кварк-глюонной плазмой» или «кварковым супом», впервые было получено в 2000 году в ЦЕРН, а исследовано в 2005 году в Брукхейвенской Национальной Лаборатории; оказалось, что кварк-глюонная плазма ведёт себя как идеальная жидкость с практически нулевой вязкостью. Предполагается, что кварк-глюонная плазма была основным состоянием вещества в первые микросекунды после Большого Взрыва, а затем из неё стали образовываться адроны (тяжёлые элементарные частицы).
После того, как было доказана возможность получить кварк-глюонную плазму, физики заинтересовались, где она могла сохраниться в природе. Вполне возможно, что подходящие условия для существования кварк-глюонной плазмы существуют в недрах нейтронных звёзд, а в некоторых из них — прямо под тонкой коркой, образованной нейтронами.
Строение нейтронных звёзд - современное представление
Звёзды бывают очень разными, и одними из самых необычных являются нейтронные звёзды. Диаметр нейтронной звезды составляет около 20 километров, что сопоставимо с размером крупного города. Но даже при таком крошечном размере нейтронные звёзды весят в среднем в 1,4 раза больше Солнца. Это означает, что нейтронные звёзды обладают колоссальной плотностью, а значит — под грузом нейтронной материи внутри этих объектов нейтроны могут дезинтегрироваться в кварки. Та материя, которая известна нам как кварковый суп, внутри нейтронных звёзд могла бы существовать в гораздо более плотном и холодном состоянии, чем те капельки идеальной жидкости, которые нам удалось получить.
Кроме сильнейшей гравитации, из-за которой любые неровности на поверхности нейтронных звёзд, вероятно, не бывают выше миллиметра, определяющую роль в формировании таких объектов играет сильное взаимодействие, которое в обычных условиях удерживает протоны и нейтроны в составе ядра. Более того, внутри нейтронной звезды оно должно доминировать над гравитацией. Вещество во внутреннем ядре нейтронной звезды сейчас именуется «холодной ультраплотной материей», и состав её доподлинно не известен. В настоящее время не известно, как именно прозондировать недра нейтронной звезды, но эту проблему затрагивает статья «Probing neutron star interiors and the properties of cold ultra-dense matter with the SKAO», подготовленная в декабре 2025 года большим коллективом авторов, работающих в обсерватории SKA.
Ещё один фактор неопределённости таков: чтобы уверенно определить плотность нейтронной звезды, нужно точно узнать как массу, так и радиус такого объекта. Но, поскольку большинство нейтронных звёзд расположены в тысячах световых лет от нас, а ближайшая из известных — RX J1856.5-3754, отдалена от нас примерно на 400 световых лет и является остатком сверхновой, расположенным в созвездии Южной Короны. На таком расстоянии даже погрешность в 1 километр при измерении радиуса практически неустранима.
При этом происхождение и генезис нейтронных звёзд изучены довольно хорошо. Большинство известных сегодня нейтронных звёзд являются вращающимися пульсарами, то есть, они периодически испускают радиоимпульсы. О приблизительных условиях в окрестностях пульсара я ранее писал на Хабре в статье «Электромагнитный ад». Пульсары как таковые интересовали учёных ещё с 1960-х, когда их периодические радиовсплески заметил Энтони Хьюиш и сразу попытался проверить, не является ли эта странная звезда источником инопланетных сигналов.
Пульсар — типичный остаток от взрыва сверхновой. Один из наиболее известных пульсаров PSR B0531+21 расположен в центре Крабовидной туманности, оставшейся от взрыва сверхновой 1054 года. Его диаметр — около 25 километров, он совершает 30 оборотов в секунду и излучает в радио-, гамма- и рентгеновском диапазоне.
Много позже (в 2010-е) выяснилось, что при столкновении нейтронных звёзд (как и при столкновении чёрных дыр) образуются гравитационные волны. Благодаря этому не только был разработан метод тайминга пульсаров, но и удалось набрать статистику по значениям массы нейтронных звёзд.
Более того, при столкновении материал нейтронных звёзд смешивается, и в процессе такого обмена веществом можно определить его вязкость. Иными словами, разброс вещества от нейтронных звёзд позволяет судить о том, насколько оно липкое, текучее и сопоставимо ли по свойствам с кварк-глюонной плазмой.
При этом исследователи стремятся определить объёмную вязкость вещества, рассеиваемого при столкновении двух нейтронных звёзд (подробнее об этом параметре см. здесь в последней части раздела 2). Объёмная вязкость позволяет судить о том, как система теряет энергию в ходе радиальных осцилляций, то есть, как именно (регулярно) меняется плотность кварк-глюонной смеси. О таких исследованиях, в которых применяется теория пертурбаций, рассказано в статье, подготовленной под руководством Алекси Вуоринена.
Кварковые звёзды
Описанные выше данные и модели позволяют предположить, что некоторые из остатков сверхновых могут большей частью или почти полностью состоять из кварковой материи (свободных кварков). Подобный распад на кварки называется «деконфайнмент».
Сегодня кварковая звезда считается гипотетическим объектом, и светила-кандидаты, которые могут относиться к этому классу, считаются (компактными) нейтронными звёздами. Нейтронная звезда удерживается в целостности благодаря давлению вырожденного нейтронного газа. Как объяснено в статье, на которую указывает предыдущая ссылка, даже при очень высоком давлении два нейтрона не могут находиться в одном месте. Соответственно, если масса звезды настолько высока, что уже предполагает превращение этого светила в чёрную дыру, но звезда пока остаётся звездой — то или звезда состоит из более плотной материи, чем обычные нейтроны, либо, согласно другой гипотезе, нейтроны могут укладываться в звезде подобно кубам, а не подобно шарам.
Если допустить расщепление нейтронов на свободные кварки, то в кварковой звезде будет смесь из трёх сортов кварков: верхних, нижних и странных. Такая материя называется «странной» и может образовывать так называемые «страпельки» (странные капельки), о которых я уже очень давно также рассказывал на Хабре. Странная материя также может возникать в процессе плавного превращения адронов в кварки. Сейчас предполагается, что она может обладать следующим набором свойств:
-
Странная материя — это истинное основное состояние вещества при нулевом давлении
-
Наиболее компактные звёзды могут состоять из странной материи с примесью страпелек, покрытых тонкой коркой из нейтронов
-
Если страпелька попадает в нейтронную звезду, звезда превращается в странную
-
Если странная материя обладает достаточно низким поверхностным натяжением, то из неё (как и из ядерной материи) могут образовываться не только звёзды, но и атомы, и физические тела.
Сейчас ставятся эксперименты, призванные помочь лучше понять уравнения состояния вещества в плотной среде, при этом задействуются как компьютерное моделирование, так и новейшие астрофизические наблюдения. Возможные механизмы превращения адронов в свободные кварки изучаются в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Москве, в ЦЕРН, а также в специально образованном в 2024 году Институте кварковых и ядерных исследований в Токио. Предполагается, что в ультрахолодных средах конденсат Бозе-Эйнштейна может превращаться в сверхтекучую твёрдую материю, свойства которой описывает теория Бардина-Купера-Шриффера. В таком случае кварковая материя может оказаться идеальным сверхпроводником, а также беспрецедентно мощным источником энергии, если когда-нибудь на материале свободных кварков удастся запустить процесс, аналогичный термоядерному синтезу.
Кандидаты в кварковые звёзды
Поскольку мы достаточно полно представляем вероятный процесс формирования кварковых звёзд из нейтронных, следует присматриваться к наиболее быстро вращающимся пульсарам, а также к самым компактным объектам, напоминающим нейтронные звёзды. Первым из кандидатов, которые я хочу упоминать, является пульсар XTE J1739-285, открытый в 1999 году. Он расположен в созвездии Змееносца примерно в 13 000 световых годах от Земли. Частота импульсов этого источника — 1122 Гц, радиус составляет от 9 до 12 километров, а масса — 1,2 солнечных. Возможно, под тонкой оболочкой ионизированного газа там скрывается практически чистая кварковая звезда.
Ещё более поразительный объект на месте остатка сверхновой обнаружили в 2022 году физики из Тюбингенского университета Виктор Дорошенко, Валерий Сулейманов, Герд Пюльхофер и Андреа Сантанджело. Звезда HESS J1731-347, расположенная примерно в 10 000 световых лет от Солнца, в рентгеновском спектре напоминает нейтронную, но масса её составляет всего 0,77 от солнечной, а радиус — порядка 10,4 километра.
Остаётся изобрести, как смоделировать объект достаточно плотный, чтобы он в контролируемых лабораторных условиях превращался из адронной материи в кварковую — и проверить, насколько это вообще возможно. В одной из следующих публикаций на Хабре я планирую рассказать о попытках смоделировать нейтронную звезду в лаборатории. В заключение этой добавлю, что, как было указано выше, теоретически из странной материи могут состоять не только звёзды, но и другие тела, в частности, планеты. Известно, как минимум, 11 кандидатов в такие объекты. Они находятся в окрестностях пульсаров и могли либо естественным путём сформироваться из околозвёздного диска, либо превратиться в странную материю из обычной, попав под бомбардировку страпелек.
Автор: OlegSivchenko
