Ми звикли до думки, що зірки — це великі газові шари, з колосальною температурою, гравітацією та здатністю утримувати біля себе тверді, кам'яні планети.
Але не всі планети — кам'яні. Так само як не всі зірки — газові шари.
Взяти до прикладу нейтронні зорі — стиснуті залишки мертвих масивних зірок, які колись були достатньо великими, щоб спалахнути та перетворитися на наднові, залишивши після себе вкрай щільні ядра. Вони може містити до 3 мас Сонця, займаючи лише 8-30 км навколишнього простору.
Такий собі лайт-варіант чорної діри — з викривленим часом, власною траєкторією світла і навіть “м'яким горизонтом подій”, який ще випускає світло за межі гравітаційного контролю, але за власними правила. Ці правила і намагаються виявити астрономи.
Не просто маса та розмір
Те, що відрізняє нейтронні зірки від інших астрономічних об'єктів, - навіть не маса та розмір. Матеріал, з якого складаються подібні астрономічні об'єкти, являє собою нейтронно вироджену матерією. Феноменально упакований в просторі набір нейтронів, зі своїми фізичними законами та угасаючим життям.
Матеріал настільки щільно упакований, що наповнена ним звичайна сірникова коробка важила б 3 мільярди тонн в земних умовах.
І тут потрібно пояснити різницю між “масою” та “вагою”.
Скажімо, Ілон Маск разом із першими колоністами все-таки полетів на Марс. На Землі моя маса становить 80 кг. Коли я опиняюсь на четвертій планеті, моя маса не змінюється. Вона залишається 80 кг. Але вага вже інша, тому що марсіанська гравітація слабкіша, для неї потрібний більший простір.
Однак на нейтронній зірці вся маса втиснута в крихітні кордони, - адже гравітація там у 200 мільярдів разів сильніша, ніж на Землі. У певній перспективі це означає, що якби я впав з висоти 1 метр від поверхні нейтронної зірки, я вдарився б об землю зі швидкістю 1500 км за секунду.
Інакше, якби я стояв на нейтронній зірці, моя вага була б у 200 мільярдів разів більшою, ніж “звичні” 80 кг.
З іншого боку, ми отримуємо докази того, що нейтронні зірки — це найдосконаліші сфери у Всесвіті. Ймовірно, абсолютно “відпаровані” та тверді.
Чи не тверді? Яка вона, “поверхня” нейтронної зорі? Чи можемо ми просто стояти, якщо в умовному експерименті проігноруємо екстремальну гравітацію та не менш екстремальне випромінювання?
Дивний нейтронний світ
Астрофізики стверджують, що “кора” нейтронної зірки перебуває в “дивному” стані: атоми повністю іонізовані, а ядра розташовані досить щільно одне до одного. Теоретично ми очікуємо, що існує тонкий газоподібний шар, але згодом частинки, швидше за все, утворюють «кулонівський кристал» — регулярну структуру, яка мінімізує потенційну енергію взаємного електростатичного відштовхування.
Водночас кора нейтронної зірки, ймовірно, поводиться як тверде тіло. На ньому, вірогідно, можна стояти.
В реальності ж буквально все, на що впливає гравітація, миттєво знищується. Так, на поверхні нейтронної зірки не існує вогню у звичному розумінні, але він горить у 471 разів сильніше, ніж зазвичай, - адже ми маємо справу з температурою в 600 000 кельвінів.
За таких умов нейтронна зоря викидає матерію зі швидкістю до 10% швидкості світла, а також зберігає всю обертальну енергію, яку мала до стискання. Саме тому вона обертається до сотні разів на секунду.
Якби я потрапив на її поверхню, то побачив нечітку хмару із залишків наднових, розчавлених гравітацією. Наврядчи наші очі сприймали б світло, навіть якщо я (умовно) вижив би.
Подорож до центрального ядра
Але що знаходиться за корою? В якому стані там перебуває матерія?
Точно ми не знаємо. Вочевидь, в якусь мить порожній простір між ядром і електронами зникає, протони та електрони зливаються, утворюючи нейтрони, про що ми сказали раніше.
Там, де були атоми, залишаються лише ядра. Вони утворюють дуже щільну ядерну речовину, яка твердішає з наближенням до центру об'єкта.
Втім, не можна виключати і того, що ніякої кори не існує: на її місці знаходиться “океан” рідкої плазми. Але це всього лише припущення.
Якщо це так, то, вірогідно, ми маємо справу з “атмосферою” гарячої плазми. Вона умовно видима на відміну від твердої поверхні, до якої ще потрібно добратися. І в цьому плані зоря більше нагадує планету, ніж розпечений вогневий шар.
Фокус в тому, що кора складається з “розбитих” атомів, ядер невідомих елементів та ще більше невідомих частинок. Загалом вона міцніша навіть за найміцніші металеві сплави на Землі.
Спускаємося нижче океану плазми, тобто атмосфери.
Не виключено, що ядерний матеріал утворює кристалоподібні структури. Атомні ядра починають змінюватися.
За поверхнею знаходиться те, що називається внутрішньою корою. Тиск стає настільки інтенсивним, що ядра “зливаються” один з одним. Зникає навіть надзвичайна фізика — електромагнетизм не те щоб зникає, але діє з “перебоями”.
Ще далі, і електромагнітна взаємодія трансформується; ядра починають взаємодіяти через ядерну силу, котра утримує частинки разом.
Сильна взаємодія стягує всі ядра до одної купи. Їх злиття призводить до виникнення феномену “ядерних спагеті”. Така собі космологічна паста з дуже екстремальною фізикою.
Мало того, чим далі, тим більше йде “розтягування”. Коли зростаючий тиск збиває ядра разом, виникає ядерна лазанья, після чого все руйнується.
В результаті залишаються “бульбашки” менш щільного матеріалу всередині щільнішої маси. Цю фазу називають фазою швейцарського сиру.
Однак проблема полягає в тому, що частка ядерної пасти становить близько 1% радіуса зірки, тоді як 10% - це кора, а трохи менше ніж 90% - надважке ядро. Коли “закінчується” матерія — велике теоретичне питання.
Наразі ядро залишається для нас великою загадкою. Чисельні моделювання говорять нам, що тут ядерний матеріал насправді взагалі не формується з окремих ядер. Тиск настільки високий, що ядер немає. Просто однорідна рідина нейтронів і протонів.
Втім, деякі науковці припускають, що і ядра не зберігаються. Може виникнути надтекуча рідина, що рухається з нульовим тертям за дивними квантовими правилами.
Так що ми отримуємо:
- “Кора” нейтронної зорі являє собою решітку із заліза, всередині якої тече море електронів. Що цілком відповідає нашому розумінню твердого тіла. Однак ми не розуміємо, коли “атмосфера” трансформується в “залізоподібну” поверхню.
- Нижче кори може існувати надтекуча речовина. Знов-таки умовний нейтроній вважається тепловим, електричним надпровідником. Ніщо інше у Всесвіті не має такі самі фізичні властивості.
- Ближче до центру навіть фантастична теорія втрачає будь-який сенс. Це може бути кварк-глюонна плазма або дещо, близьке до речовини після Великого вибуху. А може бути зовсім інше, невідоме.
Головне питання в тому, як вивчати нейтронну зірку зблизька, емпірично, без уявних математичних моделей.
