Загадки для знатоков. История открытия и исследования пульсаров

Почему это так? И почему вообще в нейтронной звезде могут образоваться гипероны? Посмотрим, как, по современным представлениям, меняется структура сверхплотной звезды по мере ее сжатия.

Средняя плотность белого карлика — одна тонна в кубическом сантиметре. Если массу белого карлика увеличивать, сила тяжести будет расти быстрее, чем давление вырожденного электронного газа. Поэтому размер звезды уменьшится, а значит — плотность и давление возрастут. Когда плотность достигнет 100 тысяч т/см³, начнется процесс нейтронизации вещества. Электроны движутся так быстро, величина их Ферми-энергии оказывается такой большой, что электроны обретают способность пробить потенциальный барьер сил отталкивания и соединиться с протоном. Из слившихся протона и электрона возникает нейтрон. Если после этой реакции остается какой-то излишек энергии, его уносит нейтрино. Этот процесс и называется нейтронизацией вещества.

Почему реакция идет лишь при очень высоких плотностях? Дело в том, что нейтрон на 0,14 % массивнее протона. Значит, чтобы из протона мог образоваться нейтрон, протон должен получить дополнительную массу-энергию. Откуда эта энергия берется? Ее приносит электрон. Но откуда взяться такой энергии у электрона — ведь он «легче» протона почти в 1840 раз, его масса составляет лишь около 0,05 % массы протона. Вот если бы массу электрона увеличить втрое… Это можно сделать — нужно разогнать электрон до субсветовой скорости. Быстрые электроны существуют в вырожденном электронном газе, сжатом до плотности, в 100 тысяч раз большей, чем плотность обычного белого карлика. Только в этом случае электрон может столкнуться с протоном, захватиться им, и тогда вместо двух частиц — протона и электрона — возникают две другие — нейтрон и нейтрино. Если звезду сжать еще сильнее, то энергия электронов может стать больше предела, необходимого для нейтронизации. Избыток энергии уносят возникающие при нейтронизации нейтрино. Очевидно, что чем больше избыток энергии у электронов, тем большую энергию уносит каждое нейтрино.

Уже при плотности 100 миллионов т/см³ большая часть электронов захватывается, большая часть протонов превращается в нейтроны — возникает нейтронная звезда. А если звезду сжать еще сильнее? Тогда энергии электронов хватит не только для образования нейтронов, но даже для рождения более тяжелых частиц — гиперонов. Плотность вещества звезды максимальна в ее центре, значит, и гипероны начинают появляться сначала именно в центральных областях нейтронной звезды. По мере дальнейшего сжатия звезды гиперонное ядро увеличивается. Казалось бы, если продолжать сжимать звезду, увеличивая ее массу, настанет момент, когда «гиперонная опухоль» захватит все тело звезды. Но этого не происходит, и вот почему. Едва в звезде возникает небольшое гиперонное ядро, устойчивость звезды теряется окончательно и бесповоротно. Сила тяжести увеличивается настолько (ведь сжатие звезды происходит из-за увеличения ее массы), что никакое давление не может ему противостоять. Катастрофический коллапс наступает, прежде чем «гиперонная опухоль» успевает сколько-нибудь разрастись.

Итак, в начале шестидесятых годов почти все современные теоретические представления о сверхплотных звездах уже сложились. Во-первых, стало ясно, что никакая статическая сверхплотная звезда не может быть массивнее, чем примерно две массы Солнца. Во-вторых, стало ясно, что нейтронная звезда вовсе не является шариком из нейтронов. Структура ее сложнее. В центре — небольшое ядро, состоящее из гиперонов. Плотность ядра выше, чем миллиард тонн в кубическом сантиметре! Основную долю массы звезды составляет нейтронная жидкость, обладающая, как показали дальнейшие исследования, весьма необычными свойствами. Например, она сверхтекуча. Вот парадокс! На Земле с трудом удается получить сверхтекучие жидкости — приходится охлаждать вещество почти до абсолютного нуля, до минус 273 градусов Цельсия. А в недрах нейтронной звезды температура достигает сотен тысяч или миллионов градусов, и все же нейтронная звезда сверхтекуча. Это естественно — при сверхвысокой плотности сотня тысяч градусов все равно что нуль…

Ближе к поверхности звезды в нейтронной жидкости появляется примесь из ядер железа и вырожденного электронного газа. Эта область похожа по своей структуре на белый карлик, там и плотность такая же, около тонны в кубическом сантиметре. А еще выше, у самой поверхности, тоненькая твердая кора из обычного невырожденного вещества. Толщина коры ничтожна — всего несколько сантиметров! Вот что такое нейтронная звезда, если описать ее языком теоретиков.

Но для того чтобы опознать нейтронную звезду по этим признакам, нужно ее вскрыть и заглянуть внутрь. Для астронома-наблюдателя важны внешние признаки. Теория давала и их. Если температура на поверхности нейтронной звезды превышает миллион градусов, то такая звезда должна быть источником рентгеновского излучения.