Космология

Итак продолжаю свой рассказ. Пока и этом Сообщении специальные методы Общей Теории Относительности мне не потребуются, поэтому возвращаюсь к тому, что происходит с гибнущей звездой.
Гравитационная энергия велика, и давление электронов, которое создается за счет принципа Паули, увы, не справляется с процессом сжатия (уточняю, речь идет в первую очередь о внутренних областях, которые составляют ядро или прилегают к нему, а о судьбе внешних оболочек поговорим в следующий раз). На то, что продолжает коллапсировать приходится довольно незначительная часть массы, но конкретные цифры я сейчас не буду приводить, они мне потребуются позже.
Итак, внутреннее давление электронов оказывается недостаточным для противодействия дальнейшему сжатию (на языке квантовой теории это означает, что электроны становятся релятивистскими, а для них принцип Паули действует несколько иначе), и ... атомы начинают прижиматься друг к другу, соответственно электроны "вжимаются" в ядра. За счет Слабых взаимодействий идет реакция по превращению протонов и электронов в нейтроны, а также вылетают нейтрино, которых гравитация удержать не может, поэтому на этой стадии коллапса имеет место огромный нейтринный импульс, уходящий в окружающее пространство. Эти частицы практически ни с кем не взаимодействуют по ходу и к нашим приборам прилетают такими, какими они родились во время коллапса. Что интересно, до Земли они долетят даже раньше чем фотоны, и если нам удается зарегистрировать мощный нейтринный импульс - значит где-то в обозримом пространстве происходит гибель крупной звезды - следует "смотреть в оба", дабы не упустить этой грандиозной картины. Однако вернемся к самой звезде.
Наиболее распространенным заблуждением является то, что нейтронные звезды состоят исключительно из одних нейтронов. Это далеко не так, у этих объектов наблюдается чрезвычайно сложная внутренняя структура, которую и предстоит описать в нынешнем Посте. Однако сначала я отвечу на вопрос - что же останавливает дальнейшее сжатие?
А ответ чрезвычайно прост - тот же самый принцип Паули, только примененный уже не к электронам, а к нейтронам, которые тоже являются фермионами. Вот только масса ц них почти в 2000 раз больше, чем у электронов, а потому, чтобы сделать их релятивистскими, нам потребуется гравитационная энергия заметно большая. нежели имеется в наличии. Но какое же внутреннее строение у этого объекта? Нынешняя физика выделяет 6-7 слоев, от поверхности до центра.
То, что называют Первым слоем относить непосредственно к нейтронной звезде спорно. На самом деле это вещество, которое достаточно быстро захватывается гравитационным полем нейтронной звезды (размер самой звезды порядка 10 км, иногда чуть больше, иногда заметно меньше). Обычно оно представляет собой холодную космическую плазму из заряженных частиц, которые находятся на близких к нейтронной звезде орбитах, и благодаря тому, что движутся по очень криволинейным траекториям (о происхождении магнитного поля НЗ поговорим чуть позже) достаточно активно излучают энергию. Вот только это излучение очень сильно анизотропно, преимущественно оно распространяется в узких конусах, расходящихся от магнитных полюсов НЗ, которые, как правило, совпадают с "географическими" полюсами. Отсюда внимательный читатель сразу сделает важный вывод - Нейтронная Звезда вращается, и быстро вращается. да и не может она не вращаться по очень простой причине - момент импульса начальной звезды никуда не делся, а следовательно, линейная скорость вращения НЗ во столько же раз больше соответствующей скорости начальной звезды, во сколько радиус НЗ меньше первоначального радиуса. Понятно, что это очень грубая оценка, часть момента импульса теряется вместе с "утерянной массой", но остается еще ого-го как немало. итак, покончив с окружающим НЗ облаком, мы достигаем уже непосредственно ее поверхности и видим
Слой номер два, который состоит из ... атомов железа (преимущественно изотоп Fe-56). Откуда же он взялся? А это то самое вещество, которое и вызвало коллапс (напомню из прошлого поста, что ядерные реакции с изотопами железа уже идут не с выделением, а с поглощением энергии), но было захвачено гравитационным полем сжимающегося ядра, и не смогло "сбежать" в Космическое пространство. Температура этого слоя составляет сотни миллионов градусов, а занимает он... вот тут оценки очень сильно разнятся, поэтому конкретную цифру я пока не буду приводить. По мере углубления внутрь НЗ, температура дальше растет, достигает примерно 3 на 10 в 9 степени градусов, а потому второй слой сменяется
Третьим слоем, в котором для атомов становится "слишком жарко", ядра не могут удержать электроны и... остаются просто ядра атомов. Преимущественно это по-прежнему железо-56, но попадаются и некоторые другие изотопы, как тяжелее железа, так и легче его. Они попали туда уже в ходе коллапса, поэтому никаких шансов вырваться на волю не имели изначально. Глубина 3 слоя, по некоторым оценкам достигает примерно 30-35% радиуса НЗ. А температура... продолжает нарастать, и становится слишком высокой даже для "чистых ядер", где-то около 3 на 10 в 11 степени градусов. Именно там и начинается
Четвертый слой, в котором все еще уцелевшие ядра соседствуют с практически свободными нейтронами. Существование этого слоя объясняется обычным статистическим распределением Больцмана (два допустимых состояния с различным уровнем энергии), которое всем известно еще с первого курса института, поэтому останавливаться на его описании, и сразу проследую вглубь, где температура достигнет 3 на 10 в 14 степени градусов. Вот тут-то, собственно говоря, и начинается...
Пятый слой, состоящий практически из одних нейтронов 9есть небольшая примесь протонов и электронов), и именно с этого уровня можно твердо говорить, что мы находимся уже в ядре сколлапсировавшей звезды. Именно этот слой и отвечает в основном за гравитационную устойчивость объекта, именно здесь сконцентрировано то противодавление, которое остановило дальнейший коллапс. Этот слой тянется практически до самого центра, но наступает момент, когда температура достигает величины примерно 5 на 10 в 14 степени градусов... слишком много даже для свободных нейтронов. И происходит переход к ...
Шестому слою, а вот здесь начинает сказываться внутренняя структура самого нейтрона. Как известно физикам, нейтрон состоит из 3 кварков и огромного количества глюонов, обеспечивающих их связь внутри нейтрона (кто никогда не слышал о квантовой хромодинамике, может пройтись по ссылке эра Станислава, и прочитать краткое описание сильных взпимодействий - отвечать на вопросы, если что-то непонятно я буду в этом Топике). Устойчивая кварк-глюонная структура рушится и мы получаем некое хаотическое нагромождение кварков и глюонов, получивших в современной науке название Кварк-глюонная плазма. На самом деле определенное упорядочение там все-таки имеется, возникающие структуры имеют ярко выраженный топологичесикй характер, но вникать здесь в специфику КХД мы все же не будем, так как основные свойства Нейтронной Звезды от этого мало зависят. Этот слой тянется вплоть до расстояний от центра НЗ примерно 4-6 см, где температура достигает уже 10 в 15 степени градусов. И... далее мы вступаем уже в область догадок и не до конца проработанных моделей, пересекая последнюю различимую границу, за которой лежит...
Самый загадочный Седьмой слой, состоящий из, внимание(!), невзаимодействующих кварков. Да-да, Коллеги, зрение Вам не изменило, именно невзаимодействующих. На первый взгляд это утверждение напоминает послание из "Желтого Дома", вроде бы давление внешних слоев тут самое большое, и нам требуется создать ему самое максимальное сопротивление, а тут я ничтоже сумняшеся, говорю о том, что никакого давления вообще нет!! Секрет заключается в явлении, которое получило название Асимптотическая свобода, а смысл его заключается в том, что Сильные Взаимодействия (а взаимодействие кварков между собой - это именно настоящее Сильное взаимодействие, которое часто путают с взаимодействием, удерживающим нуклоны в ядрах) устроено совсем не так, как привычные нам электромагнитные и гравитационные взаимодействия, интенсивность которых спадает с расстоянием между взаимодействующими объектами. Напротив, с ростом расстояния между кварками интенсивность СВ растет прямо пропорционально расстоянию, а вот при приближении кварков друг к другу... падает вплоть до нуля. Таким образом, дикое внешнее давление приводит к "сближению" кварков и ... как бы "выключает их взаимодействие друг с другом (вообще в КХД Сильные взаимодействия называют цветовыми, хотя к обычному цвету они, естественно, не имеют никакого отношения). Таким образом, получается, что в самом центре НЗ давление вообще рано нулю. Этот парадоксальный вывод и привел к предположению о том, что во Вселенной могут существовать чисто Кварковые звезды, о которых я говорил ранее. то есть в при очень быстром сжатии, практически весь объем НЗ переходит именно в такое состояние, внешние слои "теряются" и остается объект малого радиуса, состоящий из таких квазисвободных кварков. Существует ряд наблюдательных данных, которые могли бы рассматриваться как следствие существования этих объектов, но достоверность их оставляет желать лучшего на данный момент.
Таким образом, я описал основное строение Нейтронной Звезды и после того, как отвечу на возникшие у Вас на данный момент вопросы, можно будет описать основные свойства НЗ и методы их наблюдения в Космосе.
Теперь готов дать необходимые разъяснения.