Нейтронные звёзды. Их существование было предсказано за многие годы до того, как возможности астрономии позволили обнаружить во Вселенной эти необычные объекты с уникальными свойствами. В начале 30-х годов прошлого столетия, вскоре после того, как было расшифровано строение атомного ядра и экспериментально доказано существование «тяжелых» частиц — нейтронов, не несущих электрического заряда, выдающийся физик Лев Ландау (1908—1968) теоретически доказал, что не исключено обнаружение и крупных устойчивых объектов, в основном состоящих из нейтронов, — нейтронных звезд.
А в 1933 году немецкие астрофизики Вальтер Бааде и Франц Цвикки высказали предположение, что нейтронная звезда может образоваться в результате взрыва сверхновой. Но первые признаки существования загадочных небесных тел были обнаружены лишь в 1967 году — для этого понадобилось, чтобы радиоастрономия в своем развитии достигла серьезных успехов.
Что скрывалось за пульсарами
Открытие нейтронных звезд было полной неожиданностью, ведь расчеты показывали, что их светимость ничтожна, а размеры не превышают 10—30 км (диаметр рядового астероида в Солнечной системе). В 1967 г. британские радиоастрономы под руководством Э. Хьюиша исследовали мерцающие источники радиоизлучения в различных участках неба и внезапно столкнулись с очень странными излучающими объектами, которые посылали мощные радиоимпульсы через строго определенные небольшие промежутки времени — сотые и даже тысячные доли секунды. Причем промежутки между двумя импульсами никогда не превышали восьми секунд. Импульсы были настолько регулярными, что у ученых даже возникло, предположение, что им удалось зафиксировать сигналы внеземных цивилизаций. Однако вскоре по всему небу обнаружилось несколько сот подобных источников радиоизлучения, а их природное происхождение больше не вызывало сомнения. Мигающие «радиомаяки» назвали пульсарами – нейтронными звездами.
Однако их природа оставалось загадкой — сигналы, казалось, возникают прямо в межзвездной пустоте и не связаны ни с какими крупными объектами — звездами или туманностями. Недоумение исследователей рассеялось, когда один из пульсаров удалось отождествить со слабой звездочкой в центре Крабовидной туманности — остатков от взрыва сверхновой звезды, случившегося в 1054 г. Наблюдения показали, что звезда меняет свою яркость, а также излучение в рентгеновском и гамма-диапазоне с такой же частотой, как и радиоизлучение. Однако реальные свойства нейтронных звезд все еще оставались загадкой.
Гравитационный процесс
Вот тут-то исследователи и вспомнили о явлении гравитационного коллапса, которое теоретически описали Бааде и Цвикки. Это не что иное, как катастрофическое сжатие массивной звезды, подобное тому, которое происходит при образовании белых карликов. Но если белые карлики образуются из «состарившихся» звезд с небольшой массой, в случае с массивными звездами дело не ограничивается образованием в ядре светила вырожденного газа. В условиях сверхгигантских давлений и температур сжатие затрагивает не только атомы, но и частицы, из которых состоят эти атомы. Практически все частицы превращаются в электрически нейтральные нейтроны, которые могут располагаться очень близко друг к другу, буквально «плечом к плечу». При этом плотность вещества возрастает в тысячи раз даже по сравнению с белыми карликами — звезда, обладающая массой в 20 солнечных, «упаковывается» в объем шара диаметром 10—15 км!
Рай для физика
Нетрудно представить, что такое космическое тело может обладать набором свойств, которые способны привести в восторг любого ученого-физика. Ведь получить их даже в самой современной лаборатории практически невозможно. В недрах нейтронной звезды должны наблюдаться такие явления и свойства материи, как сверхтекучесть, сверхпроводимость, сверхсильные магнитные поля, нейтринное излучение, особые эффекты, связанные с теорией относительности. В них могут существовать недоступные исследователями формы материи — жидкости, состоящие исключительно из элементарных частиц, кварковое вещество и многое другое. Плотность нейтронных звезд достигает 1014 граммов на кубический сантиметр, а мощность их магнитного поля в миллиарды раз превышает мощность магнитного поля Земли.
При этом нейтронные звезды стремительно вращаются, чем и объясняется возникновение радиоизлучения огромной мощности. Оно вырывается мощными потоками из областей магнитных полюсов «странной» звезды, но поскольку магнитные полюса не лежат на оси вращения, струя излучения описывает в окружающем пространстве конус. Если этот конус в своем движении «задевает» Землю, радиотелескопы фиксируют пульсар. Частота его импульсов будет соответствовать скорости вращения нейтронной звезды.
А что произойдет, если в состоянии гравитационного коллапса окажется звезда с массой больше той, которая является предельной для нейтронной звезды? Тогда она не сможет остановиться на стадии нейтронной звезды, и сжатие будет продолжаться до тех пор, пока вещество не достигнет еще более удивительного состояния — звезда превратится в «черную дыру». Гравитация такого объекта станет настолько мощной, что даже скорости света будет недостаточно, чтобы покинуть его поверхность. Поэтому «черная дыра» не «отпускает» от себя никакие виды излучения, а значит и увидеть ее невозможно даже с помощью самых совершенных приборов. Обнаружить «черную дыру» удается только опосредованно — например, по мощному жесткому излучению, которое испускает падающий на нее газ из окружающего пространства.