Учёные исследовали тайну нейтронных звёзд с помощью необычного земного аналога

Введение

Нейтронные звёзды представляют собой довольно необычные объекты нашей Вселенной. С момента их открытия, учёные стремятся пролить больше света на эти чудеса природы. Нейтронные звёзды, обладают массой, сравнимой с массой Солнца, а некоторые и намного массивнее. Однако, при этом они представляют собой шар шириной всего в несколько десятков километров.

Вещество из которого состоят нейтронные звёзды имеет колоссальную плотность. Масса одной чашки звёздного вещества равна массе горы Эверест.

Нейтронные звёзды могут пролить свет на природу гравитации, поведать нам историю образования химических элементов и раскрыть механизм физики частиц в условиях экстремального давления.

Заглянуть за горизонт

Чтобы интерпретировать поведение нейтронных звёзд, учёным требуется изучить процессы, протекающие внутри. Существует несколько теорий, но о проведении экспериментов непосредственно на нейтронной звезде не может быть и речи. Поэтому учёным нужен другой способ проверить свои теории.
Даже использование современных компьютеров несильно поможет в разрешении задачи сложного взаимодействия материи в нейтронных звёздах. Но, кажется, учёным удалось найти решение: земной аналог.

Несмотря на то, что в ядрах нейтронных звёзд температура может достигать миллионов градусов, по одному из важных энергетических показателей нейтроны считаются "холодными". Учёные решили использовать это свойство для изучения внутреннего строения нейтронных звёзд.

Вместо того чтобы смотреть в небо, исследователи заглядывают в облака ультрахолодных атомов, созданных в лабораториях на Земле. И это может помочь им ответить на некоторые давние вопросы об этих загадочных объектах.

Космические странности

Идея о существовании нейтронных звезд была предложена в 1934 году, всего через два года после открытия нейтрона, учеными Вальтером Бааде и Фрицем Цвикки. Они задались вопросом, возможно ли после взрыва сверхновой звезды образование небесного тела, состоящего полностью из нейтронов.

Хотя они не смогли разобраться в деталях, их общая идея сегодня широко признана. Зв`зды получают энергию путем слияния ядер легких атомов. Однако, когда запас легких атомов в звезде исчерпывается, ядерный синтез прекращается, и внутреннее давление больше не может противостоять гравитации. Ядро звезды разрушается, и внешний слой устремляется внутрь.

При столкновении этого слоя с плотным ядром происходит взрыв, образуя сверхновую звезду. Оставшееся плотное ядро является нейтронной звездой.

Нейтронные звёзды, о которых говорили Бааде и Цвикки, были обнаружены только в 1960-х годах. Радиоастроном Джослин Белл Бернелл, работая аспиранткой в Кембриджском университете, заметила странный пульсирующий радиоволновой сигнал из космоса. Она обнаружила нечто ранее неизвестное: особый вид нейтронной звезды, называемый пульсаром, который, вращаясь, испускает пучки излучения через регулярные интервалы времени, подобно маяку. С тех пор были обнаружены тысячи нейтронных звёзд.

Изучение нейтронных звёзд может помочь ученым понять, что происходит с веществом при чрезвычайно высокой плотности. Понимание их структуры и поведения нейтронной материи имеет важное значение для физиков. Уже известно, что нейтроны, протоны и другие субатомные частицы, составляющие нейтронные звёзды, располагаются по-разному в разных частях звезды. В некоторых областях они упакованы плотно, как молекулы воды в ледяной глыбе. В других областях они текут и завихряются, как жидкость. Однако физики пока не знают точно, где происходит переход и как ведут себя различные фазы вещества.

От миллионов Кельвинов до абсолютного нуля

При низкой температуре материя подчиняется универсальным законам. Эта универсальность означает, что хотя мы не можем легко получить доступ к материи нейтронных звёзд с температурой в несколько миллионов градусов, мы можем изучить некоторые особенности ее поведения, экспериментируя с ультрахолодными газами, которые можно создавать и контролировать в лабораториях на Земле.

Особый интерес представляет теоретическое состояние, известное как унитарный газ. Газ считается унитарным, когда взаимное влияние его частиц становится неограниченным, то есть они воздействуют друг на друга независимо от расстояния между ними. В реальности такое состояние невозможно, но облака ультрахолодных атомов могут приблизиться к нему, как и вещество внутри нейтронных звезд.

Назад на Землю

Долгое время взаимодействие газа было слишком сложным для точного расчета. Но когда физики-экспериментаторы получили возможность управлять облаками холодных атомов и настраивать их так, чтобы они были очень и очень близки к унитарному газу, это открыло новый путь к определению свойств такого газа: провести измерения непосредственно, а не мучиться с громоздкими математическими вычислениями на компьютере.

С помощью экспериментов над сверххолодным газом учёные смогут пролить свет на движение и взаимодействие материи в нейтронной звезде.

В частности, учёные надеются найти ключи к одной из самых больших загадок, называемой "сбоями пульсара". Как правило, регулярное "тиканье" пульсарных "часов" настолько надежно, что его точность превосходит точность атомных часов. Но не всегда: иногда скорость вращения пульсара резко возрастает, что приводит к сбою. Откуда берётся этот дополнительный импульс, пока неясно. Ответ кроется в том, как движется материя внутри нейтронной звезды.

"Вместо того чтобы смотреть в небо, исследователи вглядываются в облака ультрахолодных атомов, созданных в лабораториях здесь, на Земле"

И холодные газы, и нейтронное вещество в некоторых частях нейтронной звезды представляют собой сверхтекучие жидкости, частицы которых текут без трения. При вращении сверхтекучей жидкости возникают небольшие вихри. Вопрос о том, как именно эти вихри движутся и взаимодействуют друг с другом и другими структурами внутри вращающейся нейтронной звезды, пока остается открытым. 

Но классическим компьютерам практически невозможно точно рассчитать все тонкости танца такого количества вихрей одновременно. Поэтому учёные-теоретики планируют объединить усилия с экспериментальными группами, которые смогут сформировать такие вихри в облаках холодных атомов и посмотреть, что из этого получится. Идея состоит в том, чтобы использовать "эксперименты с холодными атомами как аналоговые квантовые компьютеры для вычисления того, что мы не можем сделать никаким другим способом", - говорит исследователь. 

С появлением более совершенных телескопов и новых методов изучения свойств непостижимых внутренностей нейтронной звезды учёные могут выяснить, насколько далеко можно завести аналогию между холодными атомами и нейтронными звёздами.

Источник: https://knowablemagazine.org/article/physical-world/2023/probing-mysteries-neutron-stars-surprising-earthly-analog