Представьте себе вещество, которое течёт без малейшего трения — буквально с нулевой вязкостью. На Земле такое можно получить лишь в лабораторных условиях, охлаждая гелий до температур, близких к абсолютному нулю. Но, похоже, Вселенная создала гигантские природные «лаборатории», где сверхтекучесть — обычное дело. Речь о нейтронных звёздах — сверхплотных остатках взорвавшихся светил, и одна из них, Кассиопея А, помогла учёным подтвердить давнюю гипотезу.

Смерть звезды и рождение сверхплотного объекта

Нейтронная звезда — это финальная точка в эволюции массивного светила. Когда звезда исчерпывает ядерное топливо, она сбрасывает внешние оболочки в грандиозном взрыве сверхновой, а её ядро сжимается до невероятной плотности. Типичная нейтронная звезда имеет диаметр всего 20–30 километров — размер небольшого города, — но при этом масса её может превышать солнечную. Плотность настолько чудовищна, что протоны и электроны буквально «вдавливаются» друг в друга, сливаясь в нейтроны. Отсюда и название.

Теоретики давно предполагали, что при таких экстремальных условиях вещество в недрах нейтронных звёзд может переходить в сверхтекучее состояние — то есть течь без всякого сопротивления. Это объясняло бы некоторые странности в поведении этих объектов, например, резкие изменения магнитного поля или необычное остывание. Но прямых доказательств не было — до наблюдений за Кассиопеей А.

Кассиопея А: звезда, которая остывает слишком быстро

Кассиопея А — сравнительно молодая нейтронная звезда, расположенная в нашей Галактике. Её возраст — около 330 лет, и она является остатком сверхновой, вспыхнувшей примерно в 1680 году. Благодаря своей «молодости» она ещё горяча и активно излучает в рентгеновском диапазоне, что делает её идеальным объектом для изучения.

В 2004 году две независимые группы астрофизиков-теоретиков попытались рассчитать, как должна падать температура нейтронной звезды после того, как её вещество станет сверхтекучим. Проблема заключалась в том, что без прямых данных наблюдений невозможно было точно определить температуру, при которой происходит этот фазовый переход. И тут на помощь пришла орбитальная рентгеновская обсерватория «Чандра».

Астрономы, наблюдавшие за Кассиопеей А с 1999 года, обнаружили поразительный факт: за несколько лет температура звезды упала на 4 процента. Для нейтронных звёзд это аномально быстрое остывание — обычно их температура меняется так медленно, что за короткий промежуток времени изменения практически незаметны. Именно это стремительное падение и стало ключом к разгадке.

Сверхтекучесть в цифрах: спор теоретиков

Полученные данные позволили учёным вычислить температуру перехода вещества в сверхтекучее состояние. И здесь мнения двух групп разошлись — впрочем, не слишком сильно, учитывая сложность задачи. Первая группа оценила температуру перехода в диапазоне от 0,7 до 0,9 миллиарда кельвинов. Вторая настаивала на значении около 0,5 миллиарда кельвинов. Для сравнения: ноль кельвинов соответствует минус 273 градусам по Цельсию, так что речь идёт о температурах в сотни миллионов градусов — но для нейтронных звёзд это уже «холод».

Расхождение в оценках не умаляет главного: обе группы пришли к выводу, что внутренности Кассиопеи А действительно находятся в сверхтекучем состоянии. Более того, специалисты смогли описать процессы, которые приводят к возникновению этой экзотической формы материи. По сути, нейтроны в ядре звезды образуют пары, подобно куперовским парам в сверхпроводниках, и начинают двигаться без трения.

Почему это важно: не только Кассиопея А

Открытие сверхтекучести в нейтронных звёздах — не просто подтверждение теоретических изысков. Оно помогает объяснить целый ряд наблюдаемых явлений. Например, внезапные сбои в периоде вращения пульсаров (нейтронных звёзд, испускающих импульсы излучения) могут быть связаны с переходом сверхтекучей компоненты в другое состояние. А быстрое остывание, подобное тому, что зафиксировано у Кассиопеи А, указывает на эффективный механизм отвода тепла — как раз через образование нейтрино в сверхтекучем ядре.

Кстати, годом ранее другой коллектив астрономов описал самую массивную из известных нейтронных звёзд — её масса превышает солнечную в 1,97 раза. Это гораздо больше, чем допускали прежние гипотезы о природе таких объектов. Теперь же, с учётом данных о сверхтекучести, теоретикам придётся пересматривать модели внутреннего строения нейтронных звёзд, чтобы объяснить, как вещество может выдерживать столь чудовищную гравитацию, не коллапсируя в чёрную дыру.

Что дальше?

Наблюдения за Кассиопеей А продолжаются, и каждое новое измерение температуры позволяет уточнять параметры сверхтекучего перехода. Возможно, в будущем астрономы смогут зафиксировать подобное остывание и у других нейтронных звёзд, что даст более полную картину. А пока остаётся лишь восхищаться тем, как природа, играя с экстремальными состояниями материи, подкидывает нам загадки одна сложнее другой. И, как говорил древнегреческий комедиограф Аристофан: «Не насладится муж, когда жене не любо наслажденье». В случае с нейтронными звёздами, похоже, природа всё же позволила учёным немного насладиться разгадкой — пусть и не без споров о деталях.