ТАЙНЫ НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД

В.Ю. Скосарь, к.ф.-м.н., г. Днепр (Днепропетровск)

Введение

Человек склонен переоценивать глубину своих знаний и ясность понимания таинственных законов мироздания. Читая научную литературу, академические энциклопедические издания, посвященные изучению Вселенной, обнаруживаешь смелую убежденность научного сообщества в правоте теоретических моделей, относящихся к самым ранним этапам эволюции Метагалактики. Взяв на вооружение теорию "Большого взрыва", и полагая, что в некий ранний момент плотность материи во всей Вселенной уменьшилась до плотности ядерного вещества, ученые уверенно заявляют: с этого момента эволюции становится возможным изучение свойств материи на основе твердо установленных ядерной физикой фактов и развитой теории (см., например, [1]).

Ну что ж, уважаемые и смелые мореплаватели! Мы - мыслящее человечество - изучили свойства малых капель, и теперь желаем с таким багажом знаний уверенно плавать в океанских просторах? А если налетит буря?...

Мне представляется, что нам еще далеко до ясного понимания важнейших закономерностей эволюции Вселенной. Постижение свойств капли еще не означает такого же постижения свойств океана. Хорошее знание свойств атомных ядер еще не означает надежного знания свойств ядерного вещества в огромной системе - в Метагалактике. Слава Богу, у нас есть астрофизические объекты поскромнее, чем вся Вселенная, и эти объекты также обладают плотностью ядерного вещества.

Речь идет о нейтронных звездах. Об экзотических звездах, которые нельзя увидеть светящими на небосводе, ведь они уже истратили свой запас ядерного горючего.

Рисунок 1. Условное изображение нейтронной звезды. Иллюстрация взята с инета.

Давайте же поговорим об этих макро- и мега-аналогах мельчайших атомных ядер. Насколько далеко мы можем экстраполировать сведения, справедливые для объектов из микромира, на объекты из макро- и мегамира?

1 Некоторые предварительные замечания

В конце 30-х годов XX-го века в физике появилась капельная модель атомного ядра, основанная на хорошей физической аналогии между каплей обычной жидкости и каплей жидкости ядерного вещества (ядерной жидкости). Об этом красочно рассказывает Я.Е. Гегузин в замечательной книге "Капля" (откуда я взял эпиграф к своей статье). Будущий автор "Капли", тогда еще будучи студентом, затаив дыхание, слушал лекцию известного советского физика Я.И. Френкеля, который и был одним из создателей капельной модели ядра [2]. В этой лекции говорилось, что атомные ядра во многом схожи с микроскопическими каплями из протонов и нейтронов, причем у ядер имеется своя характерная плотность (плотность ядерной материи) и поверхностное натяжение. Капля ядерной материи может оказаться неустойчивой, например, для химических элементов с большим атомным весом, и в процессе колебаний и деформаций своей формы разделиться на две дочерние капельки ядерного вещества. Спровоцированный внешним воздействием (см. рис. 2, вверху), шарик ядерного вещества сначала вытягивается в эллипсоид, который затем посередине сужается, образуя шейку; а после этого шейка сужается и обрывается, и образуются два дочерних шарика. Аналогичным образом ведет себя и капля воды при некоторых условиях, дробясь на более мелкие капельки (см. рис. 2, внизу). Общей особенностью деления капель в обоих случаях является деформация (вытягивание) шарика, что ведет к увеличению поверхностной энергии ядерного вещества или обычной жидкости и создает, таким образом, потенциальный барьер процессу деления. Чтобы деление произошло, необходимо капле преодолеть указанный барьер. Все это учитывает капельная модель ядра. Точно также это учитывается и при изучении деления капель воды.

Рисунок 2. Схема деления капли ядерного вещества (вверху) и фото деления капли воды (внизу). Иллюстрации взяты с инета

А теперь вернемся к нейтронным звездам. В недрах нейтронных звезд имеются обширные области, состоящие из ядерной жидкости. Это - целые "океаны" ядерной материи! И поведение ядерной жидкости (ядерной материи) в значительной мере определяет свойства нейтронных звезд. Вот как далеко заходит аналогия с обычной каплей и "обычным" океаном...

Впрочем, "океаны" ядерной жидкости в нейтронных звездах гораздо больше океанов земных, если сравнивать их по количеству капель. Так, объем мирового океана нашей планеты составляет примерно 1300 млн. куб. км, а объем капли воды можно считать равным 0,1 куб. см. Из этого получаем, что в мировом океане объединились около 10 в степени 25 капель. А теперь об "океане" ядерной жидкости. Типичная масса нейтронной звезды составляет примерно полторы массы нашего Солнца, т.е. 3 на 10 в степени 30 кг, а масса нейтрона - 1,67 на 10 в степени "минус 27" кг. Из этого получаем, что в нейтронной звезде находится порядка 10 в степени 57 нейтронов. Возьмем в качестве примера капли ядерной материи ядро химического элемента железа, которое в 56 раз массивнее одного нейтрона. Тогда получаем, что в нейтронной звезде "слились" вместе порядка 10 в степени 55 капель ядерной материи. Ну, пусть 10 в степени 54 капель, учитывая, что вещество коры нейтронной звезды (и, быть может, внутреннего ядра) не является жидким. Отсюда видно превосходство "океана" ядерной жидкости: в мировом океане находится 10 в степени 25 капель воды, а в нейтронной звезде - 10 в степени 54 капель ядерной жидкости!

Фундаментальная наука причисляет нейтронные звезды к одним из самых загадочных астрофизических объектов во вселенной. Например, академик В.Л. Гинзбург отнес нейтронные звезды и связанные с ними пульсары к списку важнейших физических и астрофизических проблем [3]. При том, что список Гинзбурга ограничен всего 30 проблемами. В этом же списке [3] фигурирует проблема так называемых гамма-всплесков, которые, как выясняется, также имеют самое тесное отношение к нейтронным звездам. Нейтронные звезды уже успели преподнести сюрприз научному сообществу: их существование было предсказано в 30-х годах ХХ-го века (вскоре после открытия нейтрона), а обнаруживать их начали с 1967 г. совершенно неожиданно в виде пульсаров - источников импульсного радиоизлучения с большой стабильностью периода [4].

Итак, нейтронные звезды - еще одна тайна мироздания. Но я хочу сделать на этом особый акцент.

2 Гамма-всплески, нейтронные звезды и звездотрясения

А теперь поговорим еще об одной загадке астрофизики - о мощнейших гамма-всплесках. Энерговыделение при всплесках (вспышках) гамма-излучения оценивается величиной до 10 в степени 52 эрг (или 10 в степени 45 Дж) и считается рекордно высоким в наблюдаемой Вселенной [5]. Гамма-всплески связывают с такими экзотическими космическими объектами, как нейтронные звезды, которые характеризуются чрезвычайно высокими плотностями вещества, сравнимыми с плотностью атомных ядер (2,8 на 10 в степени 14 г/см3). Конкретнее, с магнитарами - молодыми нейтронными звездами, у которых должны быть сверхсильные магнитные поля (свыше 10 в степени 14 Гс). Нейтронные звезды играют роль естественной астрофизической лаборатории, где можно наблюдать сверхплотные состояния материи (с ~ от 10 в степени 11 до 10 в степени 15 г/см3) при сверхвысоких давлениях (Р ~ от 10 в степени 23 до 10 в степени 27 МПа) и высоких температурах, а иногда и при наличии сверхсильных магнитных полей (магнитары), что в совокупности недостижимо в земных лабораториях [5, 6]. В недрах нейтронных звезд вещество находится в таком состоянии, которое напоминает одно атомное ядро с избытком нейтронов, причем радиусом в 10-15 км (!). Нуклоны (нейтроны и примесь протонов в количестве несколько процентов) внутри нейтронной звезды удерживаются мощными гравитационными силами, для описания которых необходимо учитывать эффекты общей теории относительности. Обычно нейтронные звезды характеризуются быстрым вращением вокруг своей оси и наблюдаются астрономами как пульсары - быстро вращающиеся "маяки", периодически светящие в сторону наблюдателя конусом электромагнитного излучения. Это показано схематически на рис. 3. Периоды вращения пульсаров составляют от миллисекунд до десятка секунд. Природа электромагнитного излучения пульсаров - нетепловая, а спектр излучения очень широкий: радиодиапазон, и в ряде случаев - оптический, рентгеновский, гамма [4].

Рисунок 3. Схема, поясняющая излучение пульсара (нейтронной звезды). Иллюстрация взята с инета.

Теория нейтронных звезд утверждает, что они образуются по окончании эволюции обычных звезд (более массивных, чем Солнце), когда израсходовано ядерное горючее. В результате сильного сжатия ядра обычной звезды достигается чрезвычайно высокая плотность вещества, происходит его нейтронизация, и звезда становится нейтронной [6]. Нейтронная звезда постепенно теряет свою энергию за счет излучения, остывает, замедляет вращение, и это считается причиной накопления напряжений в недрах звезды и сбросов этих напряжений в виде звездотрясений, аналогичных землетрясениям. При этом наблюдаются кратковременные сбои периода вращения нейтронной звезды.

Каковы же вероятные механизмы звездотрясений? Звездотрясения связаны либо с изменением формы коры звезды (и разломами в коре), либо с фазовыми превращениями в ядре звезды, либо со взаимодействием нормальной компоненты и сверхтекучей компоненты вещества нейтронной звезды [4, 6].

Как видим, теория утверждает о наличии сверхтекучей ядерной (нуклонной) жидкости в недрах нейтронной звезды. Более того, теория нейтронных звезд утверждает, что у звезды должна быть кора: внешняя кора толщиной несколько сот метров в форме кристалла из ядер атомов и свободных электронов; внутренняя кора толщиной 1-2 км в форме кристалла из ядер атомов, погруженных в жидкость, состоящую из нейтронов и электронов. Причем нейтроны должны образовывать сверхтекучую жидкость. Ядро нейтронной звезды должно состоять из внешнего и внутреннего ядра, но о внутреннем ядре надежных сведений пока нет, поскольку здесь мы переходим границу нашего знания о состоянии материи при весьма больших давлениях и плотностях. Во внешнем ядре толщиной несколько км отдельные ядра атомов уже не могут существовать, но все нуклоны образуют жидкость, а ультрарелятивистские электроны - газ. Нуклонная жидкость внешнего ядра звезды представляет собой сверхтекучие нейтроны с примесью протонов. Наличие высоких температур в недрах нейтронной звезды не мешает возникновению там сверхтекучей жидкости, поскольку сверхвысокие давления оказываются решающими. Для внешнего ядра характерна плотность вещества ся ~ (1,4-5,6) на 10 в степени 14 г/см3 и давление Ря ~ от 10 в степени 25 до 10 в степени 27 МПа [5, 6].

Итак, в недрах нейтронной звезды должна присутствовать сверхтекучая жидкость из нейтронов, которая в принципе может испытывать кавитацию, и в которой есть зародыши кавитации (электроны, протоны). Мне представляется, что такое допущение для ядерной материи внешнего ядра нейтронной звезды выглядит естественным.

Но могло ли такое прийти в голову по отношению к микроскопической капельке ядерного вещества, к отдельному атомному ядру?

Рисунок 4. "Капля воды обладает всеми свойствами воды, но бури в ней заметить нельзя". Иллюстрации взяты с инета

Вернемся к звездотрясениям. В пользу того, что звездотрясения и гамма-всплески причинно связаны, говорит распределение спектров умеренно мощных гамма-всплесков по энергии, аналогичное распределению землетрясений по силе (закон Гутенберга-Рихтера). Поскольку речь идет о магнитарах, то нужно иметь в виду, что у них силовые линии сверхсильного магнитного поля "зацеплены" за кору звезды, и подвижка коры может спровоцировать перестройку системы силовых линий, что чревато мощным энерговыделением [7].

Допустим, что возможной причиной гамма-всплесков являются процессы выделения энергии вследствие кавитации в нуклонной жидкости нейтронных звезд (магнитаров) при звездотрясениях. Я не берусь рассматривать экстремально мощные гамма-всплески, потому что они крайне редки, и по ним еще нет надежной статистики. Поговорим о более частых и менее мощных гамма-всплесках [7]. Для этого необязательно предполагать слияние двух нейтронных звезд, как это предложено в известных моделях (см. обзор работ в [5]). Допустим, звездотрясение вызвано фазовым переходом во внутреннем ядре. Еще академик А.Б. Мигдал рассматривал возможность скачкообразного фазового перехода в ядре, например, пионной конденсации нейтронного вещества или перехода его в кварковую материю, что приведет к резкому уплотнению внутреннего ядра, громадному выделению энергии и даже, быть может, взрывному сбросу оболочки нейтронной звезды [8]. В настоящее время обсуждается несколько вероятных вариантов подобных фазовых переходов во внутреннем ядре [6]. Спровоцировать такой фазовый переход может аккреция вещества на звезду или перестройка системы силовых линий магнитного поля. Мне представляется, что резкое уплотнение внутреннего ядра с громадным выделением энергии, аналогично подводному взрыву, может сопровождаться распространением ударных волн в нуклонной жидкости внешнего ядра от центра к периферии. Но, как показали исследования подводных взрывов, отражение ударной волны от поверхности водоема создает вблизи границы жидкости зону резко возникающих в ней растягивающих усилий, и сопровождается кавитацией [9]. Относительно менее плотная кора над жидким внешним ядром нейтронной звезды играет роль отражателя над поверхностью жидкости. По аналогии с подводным взрывом, на границе внешнего ядра с корой должна создаваться зона кавитации, как это показано на рис. 5. А теперь рассмотрим собственно процесс кавитации в нуклонной жидкости. В настоящее время не существует хорошо разработанных моделей такого явления. Но, опираясь на то, что уже известно о кавитационных процессах, можно высказать следующие предположения. В момент острого коллапса кавитационных пузырьков в них развиваются чрезвычайно высокие давления. Эксперименты с подводными взрывами показывают, что эти давления не уступают повышенному давлению за фронтом ударной волны, отражение которой и вызвало кавитацию.

Грубую оценку давления Р в кавитационных пузырьках при коллапсе можно сделать, исходя из простой формулы для гидравлического удара: Р = сvзвv, где vзв - скорость звука на стенке пузырька, v - скорость стенки пузырька. Правда, при таком расчете не учитывается содержимое пузырька (газы, пары), не берется в расчет сжимаемость жидкости [10].

Рисунок 5. Схематический разрез нейтронной звезды. Возникновение кавитации при звездотрясении

В нуклонной жидкости скорость звука с ростом плотности в недрах нейтронной звезды может стремиться к скорости света (с), т.е. vзв ~ 10 в степени 8 м/с [6]. Если при коллапсе скорость стенки пузырька в нуклонной жидкости приближается к скорости звука (и скорости света), то расчетное давление Р во внешнем ядре в кавитационных пузырьках при коллапсе получается: Р > ся с2 ~ 10 в степени 28 МПа. (Здесь не учитываются содержимое пузырька, сжимаемость нуклонной жидкости, релятивистские эффекты.) Такая величина давления переводит нас в неизведанную область параметров, характерных для внутреннего ядра нейтронной звезды с возможными процессами мощного энерговыделения и излучения. Оценить их сложно, но мы можем оценить излучение расширяющихся кавитационных пузырьков, в которых за счет резкого снижения плотности вещества и давления становятся возможными процессы, обратные нейтронизации вещества. Вероятно, в кавитационных пузырьках могут образовываться отдельные атомные ядра. В простейшем случае, например, происходит ядерная реакция захвата нейтрона протоном с образованием ядра дейтерия и излучением фотона в мягком гамма-спектре [11], что в общих чертах соответствует спектральному диапазону гамма-всплесков [7, 11]. При одном акте указанной ядерной реакции излучается 2,23 МэВ [11], т.е. 3,6 на 10 в степени "минус 13" Дж. Если протоны и электроны в нейтронной жидкости рассматривать в качестве зародышей кавитации, то уже 1% протонной примеси достаточно для возникновения 10 в степени 42 пузырьков на куб. м нуклонной жидкости (плотность ~10 в степени 14 г/см3). Сверхмощные гамма-всплески выделяют 10 в степени 45 Дж, но чаще наблюдаются средние и более слабые гамма-всплески энерговыделением порядка 10 в степени 34 Дж [7]. Отсюда можно оценить сколько кавитационных пузырьков должно принять участие в излучении и каков объем нуклонной жидкости, охваченной кавитацией. Условно будем считать, что в каждом пузырьке протон захватывает нейтрон. На каком основании? Дело в том, что протон в расширяющемся пузырьке со всех сторон плотно окружен фактически одними лишь нейтронами, так что вероятность захвата будет стремиться к максимуму. Это означает, что из каждого пузырька излучается гамма-фотон с энергией 2,23 МэВ. Но лишь у половины таких фотонов (летящих наружу от звезды) есть шанс покинуть звезду, а другая половина фотонов (которые направлены вглубь звезды) будут поглощены веществом звезды. Кроме того, нужно учесть один эффект общей теории относительности, а именно - гравитационное красное смещение покидающего звезду излучения. Для удаленного от звезды наблюдателя длина волны гамма-фотонов, покинувших типичную нейтронную звезду, увеличится в 1,13-1,30 раз, а энергия каждого фотона уменьшится в такое же число раз [4, 6] и составит 1,71-1,97 МэВ. (Кстати, хотя большинство фотонов гамма-всплесков имеет энергию десятки-сотни кэВ, некоторое малое число фотонов приближается к энергии ~ 1 МэВ, судя по энергетическим спектрам [11]). Тогда для сверхмощных гамма-всплесков нужно 10 в степени 58 пузырьков и 10 в степени 16 куб. м нуклонной жидкости, для более слабых гамма-всплесков - 10 в степени 47 пузырьков и 10 в степени 5 куб. м нуклонной жидкости, соответственно. Последние цифры выглядят правдоподобно, ведь получается, что для генерации наиболее часто наблюдаемых относительно слабых гамма-всплесков достаточно кавитации нуклонной жидкости всего лишь в объеме 0,1 куб. км при километровых размерах внешнего ядра. Это гамма-излучение может выйти наружу нейтронной звезды при сбросе коры. Напомним, что сброс коры нейтронной звезды допускал еще А.Б. Мигдал [8].

Итак, кавитация нуклонной жидкости (ядерной материи) нейтронных звезд может оказаться вероятной причиной гамма-всплесков.

(Примечание: раздел 2 написан на основе переработанной ранней статьи автора от марта 2016 г. [12]).

Заключение

Заканчиваем наше путешествие к нейтронным звездам. Надеюсь, оно было увлекательным. Экзотические звезды, истратившие ядерное горючее, казалось бы, должны считаться "мертвыми" звездами, но выясняется, что они еще обладают огромным запасом энергии, которую способны неожиданно выплескивать.

Конечно, нарисованная мною модель кавитации и гамма-всплесков является качественной. Важные количественные аспекты ее не проработаны. В частности, ничего не сказано о порядке величины сечения ядерной реакции захвата нейтрона протоном с образованием ядра дейтерия (и излучением гамма-фотона) в кавитационных пузырьках ядерной жидкости. Энергия гамма-излучения в данной реакции лишь грубо приближенно сопоставлена со спектральными особенностями наблюдаемых гамма-всплесков. Не уточнен механизм выхода гамма-излучения за пределы нейтронной звезды, когда она находится в процессе кавитации и сброса твердой коры. А ведь сбрасываемая кора может препятствовать выходу наружу гамма-лучей.

И все-таки, в ядерной жидкости нейтронных звезд вполне могут возникать ударные волны, способные приводить к "вскипанию" кавитационных пузырьков. Кавитация в недрах нейтронных звезд? А почему бы и нет!

Еще неизвестно какая "буря" может быть обнаружена в океане ядерной материи...

Но, давайте еще раз на секундочку вернемся к затронутой в самом начале проблеме о надежности нашего понимания важнейших закономерностей эволюции Вселенной. Парадокс здесь в том, что чем больше мы постигаем, тем больше принципиальных вопросов перед нами возникает. Так, после открытия основных законов механики и закона всемирного тяготения многие ученые и мыслители стали тешить себя иллюзией, что человечество уже владеет фундаментальным знанием о Вселенной. Науке осталось лишь уточнять детали в картине мира. Увы! С тех пор наука открыла другие фундаментальные законы материальных систем, не менее важные, чем законы механики и гравитации, и значительно обогатила картину мира, но требующих решения проблем стало еще больше. И сами проблемы стали более серьезными, чем при жизни Ньютона и др. классиков науки. Достаточно упомянуть о темной материи и о темной энергии, которые доминируют в Метагалактике над "известным" нам веществом звезд, планет и космических газов и пыли, и всего излучения и всех полей вместе взятых.

Попробуем прочувствовать всю глубину и драматизм сказанного великим Ньютоном: "Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камешек, более цветистый чем обыкновенно, или красивую раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным".

Я думаю, что, применяя законы ядерной физики, справедливые для ограниченных частей мироздания, к расширяющейся громадной Вселенной в целом, мы рискуем красиво рассуждать о редкой ракушке на берегу, об отдельных брызгах, ослепляющих наши глаза, но при этом мнить себя проницающими и завоевывающими океан...

Рисунок 6. "Океан начинается с капли". Иллюстрации взяты с инета

P.S. Если кто-то из читателей причислит меня к врагам научного познания, то я ему возражу. Разве я отрицаю, что океан начинается с капли?

Литература

1. Космология [Текст] / Физика космоса: Маленькая энциклопедия // Редкол. Р.А. Сюняев и др, 2-е изд. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986. - С. 90.

2. Гегузин, Я.Е. Капля [Текст] / Я.Е. Гегузин // М.: Наука, 1973. - С. 12.

3. Гинзбург, В.Л. [Текст] / В.Л. Гинзбург // Успехи физических наук. - 2002. - том 172, N 2. - С. 213.

4. Нейтронные звезды, Пульсары [Текст] / Физика космоса: Маленькая энциклопедия // Редкол. Р.А. Сюняев и др, 2-е изд. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986. - С. 433, 521.

5. Фортов, В.Е. Экстремальные состояния вещества на Земле и в космосе [Текст] / В.Е. Фортов // Успехи физических наук. - 2009. - том 179, N 6. - С. 653.

6. Потехин, А.Ю. Физика нейтронных звезд [Текст] / А.Ю. Потехин // Успехи физических наук. - 2010. - том 180, N 12. - С. 1279.

7. Попов, С.Б. Магнитары и их активность: источники повторяющихся гамма-всплесков [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://elementy.ru/lib/25574/25575 - 03.03.2016 г.

Кувелиоту, К. Магнитары [Электронный ресурс] / К. Кувелиоту, Р. Дункан, К. Томпсон // Режим доступа: http://modcos.com/articles.php?id=128 - 03.03.2016 г.

8. Мигдал, А.Б. Судьба нейтронных звезд [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://kvant.mccme.ru/1982/01/sudba_nejtronnyh_zvezd.htm - 03.03.2016 г..

9. Физика взрыва [Текст] / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е. - В 2 т. Т. 1. - М.: Физматлит, 2004. - С. 665.

10. Кнэпп, Р. Кавитация [Текст] / Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит // Редкол. В.И. Полежаев и др. - М.: Мир, 1974. - С. 177.

11. Гамма-астрономия, Гамма-всплески [Текст] / Физика космоса: Маленькая энциклопедия // Редкол. Р.А. Сюняев и др, 2-е изд. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986. - С. 203.

12. Скосарь, В.Ю. Кавитация: от теплогенераторов до нейтронных звезд [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://samlib.ru/s/skosarx_wjacheslaw_jurxewich/.

Декабрь 2016 г. - январь 2017 г.