[Перевод] Спросите Итана №79: самая маленькая нейтронная звезда

Что будет, если отломить кусочек от нейтронной звезды?

Представьте, каково это, заснуть и не проснуться… А теперь представьте, каково это, проснуться, если ты не засыпал.
— Алан Уоттс

Иногда самые интересные эксперименты в физике можно проделывать только в своём воображении. Несмотря на физические ограничения, не позволяющие нам отправиться куда угодно, разрезать и детально изучить любой интересующий нас объект Вселенной, наше понимание материи – во всех её проявлениях – и законов, управляющих ею, продвинулось достаточно далеко.

На этой неделе мне сложно было выбрать самый интересный вопрос, но я остановился на этом взрывающем мозг вопросе от Руи Карвалхо, который звучит так:

Если бы мы отломили кусочек нейтронной звезды (кубический сантиметр) и удалили бы его от неё, что бы с ним случилось?

Что же это за звёзды такие – нейтронные?

Судя по названию, это шары из нейтронов, связанных вместе благодаря сильнейшему гравитационному притяжению, массой примерно равной массе звезды типа Солнца. Но это, конечно же, полная ерунда, поскольку нейтроны не могут долго существовать. Можно взять любую интересующую вас частицу, изолировать и посмотреть, что случится. Для трёх частиц, составляющих большую часть нормальной материи – протонов, нейтронов и электронов – результаты будут сильно отличаться.

Электроны – это фундаментальные и наилегчайшие стабильные частицы с электрическим зарядом. Насколько нам известно, они абсолютно стабильны и не распадаются.

Протоны – это составные частицы, состоящие из кварков и глюонов. В принципе они могут распадаться и мы попробовали исследовать этот вопрос. Мы построили огромные ёмкости, наполненные отдельными протонами – в каждом по 10³³ протонов – и ждали годы, чтобы посмотреть, не распадётся ли какой из них. Спустя десятки лет мы выяснили, что даже если протон и нестабилен, его период полураспада составляет не менее 10³⁵ лет, или в 10²⁵ раз больше возраста Вселенной. Судя по всему, они тоже абсолютно стабильны.

Но не нейтроны! Если пронаблюдать за свободным нейтроном, он, скорее всего, исчезнет минут через 15, распадаясь на протон, электрон и антинейтрино (его период полураспада составляет 10 минут).

И как же тогда нам получить такой объект, как нейтронная звезда?

Существует разница между свободным и связанным нейтроном, из-за чего многие элементы и изотопы не распадаются: когда ядро связано, в нём есть определённое количество связывающей энергии, достаточное, чтобы сохранять нейтроны стабильными.

В случае стабильных элементов некоторые конфигурации оказываются стабильнее других, а всего стабильных вариантов существует примерно 254. Не исключено, что на больших временных масштабах некоторые из них окажутся нестабильными – мы такого просто ещё не обнаружили. Но они не особенно тяжёлые и не содержат очень уж много нейтронов. Самый тяжёлый стабильный элемент – свинец, за номером 82, с четырьмя известными стабильными изотопами: Pb-204, Pb-206, Pb-207 и Pb-208.

Итак, из всех известных стабильных элементов, самым тяжёлым оказывается ядро с 82 протонами и 126 нейтронами.

Но это если предположить, что связывают частицы ядерные силы. А в случае нейтронной звезды за это отвечает кое-что другое. Чтобы разобраться, давайте поймём, как возникает нейтронная звезда.

Самые массивные звёзды – самые яркие и голубые, родившиеся в молодых звёздных кластерах – синтезируют в своих ядрах гелий из водорода, как и все молодые звёзды. Но в отличие от таких звёзд, как Солнце, у них уходит на сжигание всего горючего не миллиарды лет, а несколько миллионов, или даже меньше, поскольку сверхвысокие температуры и плотности приводят к очень большой скорости синтеза.

Когда у них заканчивается водород, внутренности начинают сжиматься и разогревать звезду. По достижению критической температуры в звезде начинается синтез углерода из гелия, что приводит к ещё более активному выходу энергии.

Всего через несколько тысяч лет заканчивается и гелий, и внутренности ещё сильнее сжимаются, разогреваясь до температур, которых ядро Солнца никогда не достигнет. В таких экстремальных условиях начинается синтез кислорода из углерода, а затем, в последующих реакциях, из кислорода получаются кремний и сера, из кремния – железо, а затем у нас появляется проблема.

Железо – самый стабильный элемент. Обладая 26 протонами и 30 нейтронами, оно получает самое высокое отношение связывающей энергии на один нуклон, а это значит, что все остальные комбинации менее стабильны. (По некоторым параметрам никель-62 чуть более стабилен, но для простоты мы остановимся на железе-56). Конечно, существуют элементы и тяжелее железа, но создаются они не синтезом из железа. Когда ядро наполняется железом, оно начинает сжиматься под воздействием гравитации, а топлива для сгорания больше нет. И остаётся невероятно горячая и плотная плазма, которая постоянно разогревается и уплотняется.

По достижению критического значения – сюрприз – начинается синтез из электронов и протонов, что приводит к появлению нейтронов, нейтрино и энергии!

Эта реакция производит столько энергии, что во взрыве сверхновой уничтожается весь верхний слой звезды, поскольку синтез электронов и протонов в нейтроны и нейтрино занимает всего несколько секунд.

Внешним слоям на разлёт от звезды потребуются недели и месяцы, а ядро сжимается до шара из нейтронов под воздействием огромной силы, но не ядерной, а гравитационной.

Нейтронная звезда весит примерно как Солнце, а вся эта масса сконцентрирована в объёме радиусом всего несколько километров. Плотность звезды составляет 10¹⁹ килограмм на кубометр и это самый плотный трёхмерный объект из известных во Вселенной.

Чтобы нейтрон был стабильным и не распадался, связывающая его энергия должна превышать разницу масс нейтрона и протона, порядка 1МэВ, или 0,1% массы нейтрона. Нейтроны в ядре довольно просто сдерживать, а те, что на поверхности, будут находиться в наиболее разреженных условиях. Если масса нейтронной звезды будет равна солнечной, а радиус – 3 км, то связанный на поверхности нейтрон будет иметь 400 МэВ связывающей энергии: достаточно, чтобы не допустить его распад.

А что, если мы вытянем кубический сантиметр такой материи, как спрашивает Руи, из нейтронной звезды? Что мы получим?

К сожалению, гравитационная энергия связи нейтронов на поверхности составит лишь 0,07 эВ – слишком мало для того, чтобы удержать их от распада!

В реальной Вселенной встречаются аналогичные ситуации: когда нейтронные звёзды сталкиваются между собой. Большая часть материи сливается и образовывает чёрную дыру, но порядка 3% массы выбрасывается прочь. Вместо образования экзотической материи она быстро распадается и приводит к появлению большой части самых тяжёлых элементов периодической таблицы Менделеева. Если вас интересовало, откуда на Земле появились такие элементы, как золото, вот именно оттуда: от объединения нейтронных звёзд!

Так что, если извлечь небольшую массу нейтронов, она быстро распадётся на стабильные (или долгоживущие) элементы и изотопы из периодической таблицы, за время, не превышающее время жизни нейтрона, а скорее всего, гораздо быстрее.

А если бы мы захотели отломить кусок достаточный для того, чтобы на его поверхности нейтроны оставались стабильными? Для этого он должен быть радиусом не менее 200 метров.

Масса такого куска будет сравнимой с массой Сатурна и это лишь нижняя граница по массе, необходимой для достижения вашей цели. Всё, что будет иметь меньшую массу, распадётся.

Так что, даже если бы вы хотели верить, что молот Тора сделан из материи нейтронной звезды…

Физика этого не позволит. Он слишком маленький и гравитационная энергия связи будет слишком маленькой, в результате чего он подвергнется быстрому и катастрофическому радиоактивному распаду.

Спасибо за прекрасный вопрос, Руи, и я надеюсь, что если ты мечтаешь создать самую маленькую нейтронную звезду, ты начнёшь думать в крупном масштабе! Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.