Представьте себе объект, в котором вещество сжато до такой степени, что чайная ложка его материи весила бы миллиарды тонн. Именно таковы нейтронные звёзды — пожалуй, самые экстремальные обитатели нашей Вселенной. Они бросают вызов нашему пониманию физики, и каждая новая находка в их изучении не столько отвечает на вопросы, сколько ставит новые. Одна из таких загадок — пульсар J1614-2230, который заставил астрономов пересмотреть представления о том, что скрывается в недрах этих космических монстров.

Что такое нейтронная звезда?

Нейтронные звёзды — это останки массивных светил, завершивших свой жизненный путь грандиозным взрывом сверхновой. Когда в ядре звезды выгорает термоядерное топливо, оно коллапсирует под собственной тяжестью. Внешние слои сбрасываются в космос, а ядро сжимается до шара радиусом всего около 10 километров — для сравнения, радиус Солнца составляет почти 700 тысяч километров. Плотность такого объекта достигает сотен тысяч тонн на кубический миллиметр, что сопоставимо с плотностью атомного ядра. Как следует из названия, нейтронные звёзды состоят преимущественно из нейтронов, но учёные подозревают, что в их недрах могут существовать и более экзотические формы материи — например, конденсаты элементарных частиц или даже кварковое вещество.

Некоторые нейтронные звёзды проявляют себя как пульсары — они испускают строго периодические импульсы излучения, словно космические маяки. Это происходит из-за сочетания бешеного вращения и мощнейшего магнитного поля. Типичный пульсар делает оборот вокруг оси за секунду, а самые быстрые — за миллисекунды. Если такой объект входит в двойную систему, он может «питаться» веществом звезды-компаньона, затягивая его в аккреционный диск, где материя разгоняется до околосветовых скоростей. Именно регулярность импульсов делает пульсары идеальными природными часами, позволяя астрономам с высокой точностью измерять параметры двойных систем.

Космическая лаборатория: система J1614-2230

Одной из таких лабораторий стала система J1614-2230, привлёкшая внимание исследователей в 2010 году. В её центре — пульсар, который в два раза массивнее Солнца и вращается с периодом в одну миллисекунду. Его компаньон — белый карлик, ещё один тип звёздных останков, но куда менее плотный, чем нейтронная звезда. Белые карлики образуются из звёзд небольшой массы и довольно распространены: до 10% всех звёзд Галактики могут относиться к этому классу. В отличие от нейтронных звёзд и чёрных дыр, чьё существование сначала предсказали теоретически, белые карлики были открыты ещё в XIX веке, но их природу смогла объяснить лишь квантовая механика в 1930-х годах.

Уникальность J1614-2230 в том, что его импульсы направлены точно на Землю, что делает их лёгкой добычей для радиотелескопов. Но главный сюрприз преподнесла гравитация. Согласно общей теории относительности, массивные тела искривляют пространство-время, и это влияет на проходящее излучение. Когда импульсы пульсара проходят вблизи белого карлика, они замедляются — и этот эффект тем сильнее, чем массивнее карлик. Измерив задержку сигналов, астрономы смогли вычислить массы обоих компонентов системы.

Взвешивание невидимого

Эту работу проделал американский астроном Пол Деморест (Paul Demorest) из Национальной радиоастрономической обсерватории в Виргинии. В течение 2010 года он с коллегами следил за системой с помощью телескопа «Грин-Бэнк». Результаты оказались поразительными: масса белого карлика составила половину солнечной, а масса нейтронной звезды — 1,97 массы Солнца. Пульсар оказался почти вдвое тяжелее нашего светила, что для таких объектов — рекордный показатель. Период обращения карлика вокруг пульсара — восемь дней.

Такая огромная масса при крошечном радиусе означает чудовищную плотность, и это ставит под вопрос наши представления о внутреннем устройстве нейтронных звёзд. Простые модели, где вещество состоит только из нейтронов, не могут объяснить столь высокую массу — гравитация попросту раздавила бы звезду в чёрную дыру. Деморест и его команда предположили, что в ядре J1614-2230 может находиться конденсат кварков — гипотетических фундаментальных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны. Такое состояние материи, называемое кварковой материей, способно выдерживать колоссальное давление, не коллапсируя дальше.

Загадка происхождения

Но как J1614-2230 обрёл такую массу? Этот вопрос пока остаётся без ответа. Возможно, звезда родилась такой тяжёлой сразу после взрыва сверхновой — то есть коллапсировавшее ядро изначально было очень массивным. Или же пульсар «разжирел» позже, перетянув на себя часть вещества с компаньона-белого карлика. Аккреция — процесс, при котором нейтронная звезда засасывает материю соседа, — в двойных системах не редкость, но в случае J1614-2230 она могла сыграть решающую роль. Пока у учёных нет данных, чтобы выбрать одну из версий.

История J1614-2230 напоминает нам, что даже самые, казалось бы, изученные объекты космоса способны преподносить сюрпризы. Нейтронные звёзды, эти «мальчики — много шума и крика в оболочке из грязи», по меткому выражению Артура Кларка, продолжают интриговать и ставить перед наукой новые задачи. И кто знает, какие ещё тайны скрывают их невероятно плотные недра?