1. Супероб'екти
2. Що видно на зрізі?
3. Досить, щоб піти на дно
4. Океан і лід
5. океани вогню
6. Море синє запалили
7. рідка гора
8. Яка риба плаває швидше всіх
9. Найдивніший?

Наше деловое партнерство www.banwar.org

Море набагато різноманітніше суші.
Цікавіше, ніж що-небудь.
Зсередини, як і зовні.
Йосип Бродський. Новий Жюль Верн

Сергій Попов, астрофізик, доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Державного астрономічного інституту ім. П. К. Штернберга МГУ. Автор книги «Супероб'екти: зірки розміром з місто». Лауреат державної премії «За вірність науці» як кращий популяризатор 2015 року.

Океани завжди лякали і манили людей. Вони зберігають таємниці в своїх глибинах. Там мешкають істоти, які здалися б нам породженнями галюцинуючого свідомості художника-сюрреаліста. Коли ми говоримо про життя десь ще в Сонячній системі, на думку відразу приходить підлідний океан Європи - супутника Юпітера. Ось уже кілька десятиліть це чи не головний претендент на звання другого притулку життя. Нещодавно до океану Європи додався океан Енцелада - супутника Сатурна. На знімках з космічних апаратів видно, як з нього б'ють фонтани води.

Відкриття екзопланет показали: є багато такого в Галактиці, що й не снилося нашим мудрецям. Наприклад, планети-океани. Зараз є парочка кандидатів: Кеплер-22b і GJ1214b - вони, можливо, цілком складаються з води. Правда, через високого тиску в надрах вона знаходиться в стані гарячого льоду.

Але мова піде не про них. І не про Сонячну систему. Чи не про екзопланети. Уявіть, навіть не про воду.

Супероб'екти

Скоро буде півстоліття, як астрономи спостерігають нейтронні зірки. Однак їх історія почалася раніше. Фізики-теоретики, постійно придумують все нові химери, грунтуючись на недавніх відкриттях і свіжих ідеях, в 1930-і роки прийшли до думки, що в природі можуть існувати об'єкти із зірковими масами і щільністю атомного ядра. Легко порахувати, що їх розміри будуть обчислюватися десятками кілометрів. Зазвичай, щоб простіше було запам'ятати, кажуть, що радіус нейтронної зірки - 10 кілометрів. Це повинно бути близько до істини.

Ще до відкриття в 1967 році радіопульсаров фізики і астрофізики почали обговорювати можливі властивості нейтронних зірок. Чи не найдивовижніші пов'язані з високою щільністю речовини. Наприклад, надра нейтронних зірок можуть мати температуру в сотні мільйонів градусів, але при цьому бути надтекучого і сверхпроводящими. Може бути, надра цих об'єктів, хоча б деяких, складаються зовсім не з нейтронів, а з вільних кварків. Може бути ... Багато чого може бути у таких небесних тіл. Не дивно, що саме там «хлюпочуться» найдивніші океани.

Що видно на зрізі?

Наука все аналізує, тобто розкладає і розчленовує. Подивимося на нейтронну зірку в розрізі. Усередині ядро, зовні кора. Ще вище може бути атмосфера. Вона дивовижна. Її товщина вимірюється сантиметрами. Але вона може повністю змінити спектр випромінювання нейтронної зірки. Або випасти в осад - конденсат. У сильному магнітному полі атоми вишикуються в ланцюжки на кшталт полімерних, і газоподібна атмосфера, скута, впаде на поверхню.

Ядро ділять на дві частини. Уже в зовнішньому ядрі немає атомних ядер (утриматися від такого каламбуру важко). А є нейтрони, протони й електрони. Ще може бути трохи мюонів - вони підміняють електрони в речовині високої щільності.

У внутрішньому ядрі ...

Ми не знаємо. Там можуть бути чудеса: гіперони або півонії, «звичайне» кваркову речовина або зовсім вже незвичайне. А може бути, там просто протони, нейтрони і мюони - до самого центру. Сподіваємося скоро дізнатися.

Як у апельсина або кавуна, «шкірка» нейтронної зірки тонка - приблизно одна десята її радіусу. Кору теж ділять на дві частини: зовнішню і внутрішню. Кордон між ними проходить по щільності, при якій з ядер починають «випливати» нейтрони. Це відповідає приблизно 1/500 щільності атомного ядра. Ближче до кордону речовина у внутрішній корі складається з ядер, електронів і нейтронів між ними. Чим глибше, тим вище концентрація частинок. Нейтронів стає все більше. Настає фаза «ядерної пасти» - спагетті і листи лазаньї з ядер в «соусі» з нейтронів (таку «пасту» Марія Кюрі могла б приготувати П'єру на вечерю), якби це було можливо в лабораторії.

Такий стан речовини чимось нагадує рідкі кристали. Потім картина змінюється, склад пасти стає іншим: спагетті і листи лазаньї з нейтронів в соусі з однорідної ядерної суміші протонів і нейтронів. Далі ядро, де, як ми пам'ятаємо, ядер немає.

Зовнішня кора. Зазвичай кажуть, що це найпростіша частина нейтронної зірки, так як там найнижча щільність. Тому все (або майже все) ясно. Почасти це так. Але саме там знаходиться найдивніший океан.

Досить, щоб піти на дно

Чим ближче до поверхні, тим менше щільність. Але у нейтронних зірок є фокус: крім тонкого - менше 100 метрів - шару поблизу поверхні у них скрізь майже однакова температура. Тому підстава зовнішньої кори виходить досить гарячим. Якщо ми говоримо про молоду і не дуже важкої нейтронної зірки (сотні тисяч років і менше), то це температура в сотні мільйонів градусів, тут вже що Кельвіна, що градуси Цельсія - однаково. В результаті зовнішні шари можуть плавитися. Зазвичай це відбувається на глибині кілька десятків метрів від поверхні. Тут-то і починається дивний океан.

«Води» цього океану - так звана кулоновская рідина. Склад «води» може змінюватися від водню до заліза. Саме в цьому шарі нейтронної зірки відбувається стрибок температури від сотень мільйонів градусів на дні до одного мільйона на поверхні. Щільність речовини в ньому в десятки мільйонів разів більше щільності води. Глибина як у Азовського моря. Зате покриває океан всю зірку (нехай і розміром з місто).

Багато молодих поодинокі нейтронні зірки, які ми спостерігаємо завдяки тепловому випромінюванню їх поверхні, зовні рідкі. Тобто ми бачимо поверхню океану, що поступово переходить в щільну атмосферу нейтронної зірки.

Океан і лід

Земні океани зараз не замерзають, за винятком Північного Льодовитого. Цим вони відрізняються від океану Європи. Там би давно почали шукати життя, якби не треба було тягнути в околиці Юпітера бурову установку: вся Європа покрита товстим шаром льоду - як старенька Європа на Землі в розпал льодовикового періоду. Чи може бути самий дивний лід на поверхні самого дивного океану?

Так.

Але. Для цього потрібно, щоб нейтронна зірка була ще більш дивною - щоб вона була магнітар.

Про магнитари треба запам'ятати, по-перше, що вони пишуться через букву «і» (якщо, звичайно, ви з якої-небудь причини не пишете «магнЕтосфера»). А по-друге, що поблизу поверхні у них завжди сильне магнітне поле. Приблизно в мільйон мільярдів разів більше, ніж на Землі. І таке поле починає «керувати» речовиною.

Розглянемо молодий магнітар. На поверхні у нього жарко: три-чотири мільйони градусів. Але поверхню тверда. Починаємо заглиблюватися - температура швидко зростає. Уже на глибині сім сантиметрів (менше багнета лопати) вона така висока, що може розплавити речовина. Значить, у такого магнитара є океан, який зверху покритий тонким (але дуже щільним) льодом.

Залізні «води» під льодом темні і неспокійні. Зовнішня частина океану вирує - тепло гарячих надр передається поверхні конвекцією. Якщо магнітар спалахує, то, ймовірно, лід ламається, і на поверхні океану плавають «крижини» щільністю в тисячі разів більше, ніж у сталі.

океани вогню

Для того щоб на поверхні нейтронної зірки «хлюпала» рідина, треба, щоб там було гаряче. А якщо зірка вже немолода: їй мільярди років, і вона охолола? Тоді океан може застигнути, перетворитися в тверду кору. Значить, треба її розігріти. Є один хороший спосіб зробити це.

У подвійній системі на нейтронну зірку може почати перетікати речовина зірки-сусідки. Цей процес називають аккрецией. Речовина зірок в основному складається з водню і гелію. Саме ці два елементи і потрапляють на поверхню компактного об'єкта. При цьому речовина, розігнане гравітацією нейтронної зірки до швидкості в десятки тисяч кілометрів на секунду, різко зупиняється. Виділяється багато енергії.

Якщо речовини перетікає багато, то водень починає перетворюватися в гелій, а гелій - в більш важкі елементи. Зазвичай це відбувається глибоко в надрах нормальних зірок, які ми вночі бачимо на небі, але у нейтронних це відбувається на самій поверхні. Температура в цьому випадку досягає сотень мільйонів градусів (для порівняння: в центрі Сонця - п'ятнадцять мільйонів). А під цим пеклом - океан.

Море синє запалили

При наявності потужного аккреционного потоку над океаном йде термоядерний горіння водню і гелію. Останній перетворюється, як правило, в вуглець. Так що в основному океан буде складатися саме з нього. Дуже хочеться назвати це рідким алмазом (адже тиск там гігантське), але це було б применшенням. Нас чекає сюрприз! Розігрітий майже до мільярда градусів океан вуглецю з щільністю в десять мільярдів разів більше, ніж у води, вибухає. Це термоядерний горіння. Спалах триває близько години, і за цей час виділяється стільки енергії, скільки Сонце висвічує за рік. Енергії настільки багато, що забирати її доводиться нейтрино.

Але не у всякої нейтронної зірки вуглецевий океан спалахує часто. Треба, щоб у місці падіння речовина не встигло швидко розтектися, тоді там виникне область з особливо високими температурою і щільністю.

рідка гора

Підняти велику хвилю в океані нейтронної зірки важко - заважають висока щільність і дуже сильна гравітація. Зате можна будувати рідкі гори. Утримувати речовина від розтікання допомагає сильне магнітне поле.

Речовина нагрівається до високої температури, щільність вкрай висока - електрони відірвані від ядер. Плазма. Заряджені частинки не люблять рухатися поперек силових ліній магнітного поля. Потік речовини із зірки-сусідки тече на магнітні полюси нейтронної зірки як би по магнітної трубі. І коли все це падає в океан, плазма не може швидко розтектися. Виникає рідка магнітна гора висотою близько метра (тверді «гори» на поверхні твердої кори навряд чи виростають вище декількох міліметрів).

Існування таких гір повинно мати цікаве слідство. Через порушення сферичної (а заодно і циліндричної) симетрії, оскільки магнітні полюси не збігаються з полюсами обертання, нейтронна зірка стає джерелом гравітаційних хвиль. Правда, не дуже потужним, тому поки ми не можемо безпосередньо зловити цей сигнал. Але втрати моменту імпульсу (тобто, спрощуючи, енергії обертання) за рахунок випущення гравітаційних хвиль можна виявити за непрямими свідченнями, вивчаючи параметри обертання.

Яка риба плаває швидше всіх

На нейтронної зірки все відбувається дуже швидко через сильну гравітації. Гравітаційне прискорення на поверхні в сто мільярдів разів більше, ніж на Землі. Це означає, що маятник, що здійснює у нас коливання за 3 секунди, на нейтронної зірки зробить його за одну стотисячну.

Сильна гравітація призводить до швидкого поділу елементів на легкі і важкі. В океані більш важкі елементи швидко йдуть на дно, а зверху залишаються легкі, це відбувається за кілька днів або місяців. Тому океан (якщо в ньому немає конвекції), швидше за все, складається з чітких шарів з різним складом (тобто, навіть якщо ви перемішаєте «Криваву Мері», дуже швидко томатний сік виявиться внизу). Перешкодити цьому може тільки турбулентний перемішування, що виникає через велику різницю температур в різних частинах поверхні океану і ефекту Холла.

Високі щільність і температура теж прискорюють процеси. З цього було отримано фантастичне слідство.

Френк Дрейк (той самий, автор формули Дрейка) в 1973 році запропонував найдивніший ідею про те, що нейтронні зірки можуть бути заселені. Тут ми вступаємо в вкрай дивні темні води.

Я пам'ятаю, як на початку 90-х, коли в нашому відділі був єдиний 286-й комп'ютер, доводилося працювати на ньому по ночах. При цьому я вчився на 4-5-му курсах, і лекції та семінари ніхто не відміняв. В результаті годині о п'ятій ранку стан розуму було абсолютно зміненим, працювати було вже майже неможливо. Але всі стіни були заставлені полицями з книгами, і я їх гортав з довільного місця. Саме в такий момент я і прочитав вперше про життя на нейтронних зірок. Дивною, незвичайної, неймовірною для людського розуміння.

Ідею Дрейка в фантастичних романах «Звёздотрясеніе» і «Дракон яйце» розвинув Роберт Форвард (до речі, Форвард за освітою інженер-фізик, його дисертація була присвячена детекторів гравітаційних хвиль). Істоти повинні бути мікроскопічними. І з дуже високим темпом життя. Все відбувається в мільйони разів швидше, ніж у нас. Звичайно, це фантастика. Але дуже натхненно. На думку Дрейка, це життя повинна існувати на твердій поверхні. Цікаво, як би обернулося справа, будь там ще й океан?

Найдивніший?

Мабуть, що так. З відомих. Взагалі, в світі неживої природи нейтронні зірки зібрали найбільше цікавою фізики: високі щільності, сильні поля, гігантська сила тяжіння. Цікавіше може бути тільки живе. Солярис. Правильно Бродський писав: «Риба цікавіше груші».

Опубліковано в журналі «Кот Шредінгера» №5-8 (19-22) літо 2016 р

Підписатися на «Кота Шредінгера»