Даже если вы не занимались целенаправленным поиском статей по тегу «Нейтронные звезды», трудно не заметить, насколько актуальной и востребованной остается эта тема в научно-популярном сообществе. Эти экзотические объекты, наряду с пульсарами, по своей популярности могут соперничать разве что с черными дырами. Часто материалы о них превращаются в настоящие интеллектуальные блокбастеры. Например, в свое время я открыл для себя блог автора @Lirts, наткнувшись на его фундаментальный труд — «Нейтронные звезды — насколько они нейтронные?». И хотя с тех пор новых публикаций от него не появлялось, его работы по-прежнему остаются эталоном как с точки зрения фактологии, так и в плане стилистики.
Возвращаясь к основной теме: в последнее время научное сообщество активно обсуждает инновационные модели, согласно которым в недрах нейтронных звезд материя может переходить в состояние свободных кварков. Интересно, что первый объект, потенциально претендующий на статус кварково-нейтронной звезды, был идентифицирован всего через два месяца после выхода упомянутой статьи Антона. Ниже мы погрузимся в детали этой гипотезы.
Основы физики кварков
Весь наблюдаемый мир — от исполинских звезд до ультратонких графеновых слоев — выстроен из атомов. В центре атома находится ядро, состоящее из нуклонов (протонов и нейтронов), окруженное электронными оболочками. В свою очередь, каждый протон и нейтрон представляет собой систему из трех кварков, удерживаемых мощным сильным взаимодействием при участии безмассовых частиц-переносчиков — глюонов (от англ. glue — «клей»). Схематично структура атома гелия выглядит следующим образом.
Следовательно, протоны и нейтроны не являются элементарными в строгом смысле слова, так как имеют внутреннюю структуру, в то время как электроны пока считаются неделимыми. Кварки и электроны относятся к классу фермионов, а глюоны — к бозонам. Различие между ними фундаментально: бозоны способны занимать одно и то же квантовое состояние, что позволяет, например, фотонам формировать лазерное излучение. Фермионы же подчиняются принципу запрета Паули, из-за чего электроны в атоме заполняют строго определенные энергетические уровни, а не скапливаются в хаотичном облаке. Подробный разбор этих категорий частиц ранее представлял @SLY_G в своей статье.
Микромир устроен гораздо сложнее: например, «странные» кварки получили свое название из-за аномально долгого времени жизни, хотя со временем они неизбежно распадаются на более легкие — верхние и нижние. В одном из прошлых материалов я анализировал причины, по которым протон не распадается спонтанно, а кварки остаются запертыми внутри адронов (явление конфайнмента).
Изучением этих взаимодействий занимается квантовая хромодинамика, основы которой заложили Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Существует экзотическая форма материи — кварк-глюонная плазма (или «кварковый суп»), где кварки свободны от конфайнмента. Впервые она была получена в ЦЕРНе в 2000 году, а детальные исследования 2005 года в Брукхейвенской лаборатории показали, что она ведет себя как идеальная жидкость с предельно низкой вязкостью. Считается, что именно в таком состоянии находилась Вселенная в первые микросекунды своего существования, прежде чем сформировались первые адроны.
Архитектура нейтронных звезд: современный взгляд
Среди всего многообразия звездных объектов нейтронные звезды выделяются своей запредельной физикой. При диаметре всего около 20 километров (размер мегаполиса) их масса превышает солнечную в 1,4 раза. Такая чудовищная плотность наводит на мысль, что в глубоких недрах нейтроны могут буквально «плавиться», превращаясь в кварковое вещество. Причем этот «кварковый суп» внутри звезд должен быть гораздо холоднее и плотнее тех образцов, что мы получаем на ускорителях.
Помимо гравитации, из-за которой любые неровности рельефа на таких звездах не превышают долей миллиметра, ключевую роль играет сильное взаимодействие. Оно не только удерживает ядра, но и противостоит гравитационному коллапсу внутри звезды. Состав этого «холодного ультраплотного вещества» остается одной из главных загадок современной астрофизики. Попытки дистанционного зондирования этих недр описаны в недавнем масштабном исследовании (декабрь 2025 года), проведенном коллаборацией обсерватории SKA.
Главная сложность заключается в точном определении параметров: для вычисления плотности необходимо одновременно знать и массу, и радиус объекта. Однако даже ближайшая к нам нейтронная звезда RX J1856.5-3754 находится в 400 световых годах, что делает погрешность измерений радиуса в 1 км практически непреодолимой преградой.
Тем не менее, эволюция этих объектов изучена неплохо. Большинство известных нейтронных звезд — это быстро вращающиеся пульсары. Изучение этих объектов началось в 60-х годах, когда Энтони Хьюиш зафиксировал их строгую периодичность, изначально приняв её за сигналы внеземного разума. Типичным примером является пульсар в центре Крабовидной туманности (остаток сверхновой 1054 года), который при диаметре 25 км делает 30 оборотов в секунду.
С развитием гравитационно-волновой астрономии в 2010-х годах ученые получили новый инструмент исследования. Слияния нейтронных звезд позволяют анализировать их внутренние свойства, такие как объемная вязкость. По тому, как разлетается вещество при столкновении, можно судить о его текучести и фазовом состоянии, что дает косвенные доказательства существования кварк-глюонной смеси в их недрах.
Кварковые звезды: за гранью нейтронной материи
Накопленные данные позволяют предположить, что некоторые остатки сверхновых могут почти полностью состоять из деконфайнированных кварков. Такие объекты называют кварковыми звездами.
Пока это гипотетический класс объектов. Обычная нейтронная звезда удерживается от коллапса давлением вырожденного нейтронного газа. Если масса объекта критически велика для нейтронной звезды, но недостаточна для превращения в черную дыру, это может указывать на наличие более плотной кварковой сердцевины или на необычную «кубическую» упаковку нейтронов.
В кварковой звезде предполагается наличие смеси верхних, нижних и странных кварков. Это вещество называют «странной материей». Она может существовать в виде «страпелек» (странных капелек), обладающих уникальными свойствами:
-
Странная материя может быть наиболее стабильным состоянием вещества при нулевом давлении.
-
Компактные звезды могут состоять из странной материи, покрытой тончайшим нейтронным слоем.
-
Попадание страпельки в обычную нейтронную звезду может инициировать её полную трансформацию в «странную» звезду.
-
При определенных условиях из такой материи могут формироваться не только макрообъекты, но и структуры атомного масштаба.
Сегодня поиском ответов на эти вопросы занимаются ведущие научные центры — от ОИЯИ в Дубне до нового Института кварковых исследований в Токио. Исследуется возможность существования кварковой материи в виде идеального сверхпроводника или даже источника колоссальной энергии, превосходящей по эффективности термоядерный синтез.
Потенциальные кандидаты
Поиск кварковых звезд сосредоточен на экстремально плотных и быстро вращающихся объектах. Одним из наиболее перспективных кандидатов является пульсар XTE J1739-285 в созвездии Змееносца. При частоте 1122 Гц и массе 1,2 солнечных его радиус критически мал, что намекает на кварковую природу.
Еще более интригующая находка была сделана в 2022 году группой исследователей из Тюбингенского университета. Объект HESS J1731-347, расположенный в 10 000 световых лет от нас, обладает массой всего 0,77 солнечной при радиусе 10,4 км. Эти параметры выходят за рамки стандартных моделей нейтронных звезд, делая его идеальным кандидатом в кварковые объекты.
В будущем ученые надеются смоделировать подобные условия в лабораториях, о чем я планирую рассказать в следующих публикациях. Напоследок отмечу, что теоретически могут существовать не только кварковые звезды, но и целые планеты из странной материи — на сегодня выявлено уже около 11 кандидатов на эту роль.
