Самый странный океан

Самый странный океан

// Что мы можем увидеть на поверхности нейтронной звезды
Авторы: Сергей Попов

Море гораздо разнообразнее суши.
Интереснее, чем что-либо.
Изнутри, как и снаружи.

Иосиф Бродский. Новый Жюль Верн

Сергей Попов, астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ. Автор книги «Суперобъекты: звёзды размером с город». Лауреат государственной премии «За верность науке» как лучший популяризатор 2015 года.

Океаны всегда пугали и манили людей. Они хранят тайны в своих глубинах. Там обитают существа, которые показались бы нам порождениями галлю­цинирующего сознания художника-сюрреалиста. Когда мы говорим о жизни где-то ещё в Солнечной систе­ме, на ум сразу приходит подлёдный океан Европы — спутника Юпитера. Вот уже несколько десятилетий это едва ли не главный претендент на звание второго пристанища жизни. Недавно к океану Европы добавился океан Энцелада — спутника Сатурна. На снимках с космических аппаратов видно, как из него бьют фонтаны воды.

Открытия экзопланет показали: есть много такого в Галактике, что и не снилось нашим мудрецам. Например, планеты-океаны. Сейчас есть парочка кандидатов: Кеплер‑22b и GJ1214b — они, возможно, целиком ­состоят из воды. Правда, из-за высокого давления в недрах она находится в состоянии горячего льда.

Но речь пойдёт не о них. И не о Солнечной системе. Не об экзопланетах. Представьте, даже не о воде.

Суперобъекты

Скоро будет полвека, как астрономы наблюдают нейтронные звёзды. Однако их история началась раньше. Физики-теоретики, постоянно придумывающие всё новые химеры, основываясь на недавних открытиях и свежих идеях, в 1930-е годы пришли к мысли, что в природе могут существовать объекты со звёздными массами и плотностью атомного ядра. Легко посчитать, что их размеры будут исчисляться десятками километров. Обычно, чтобы проще было запомнить, говорят, что радиус нейтронной звезды — 10 километров. Это должно быть близко к истине.

Ещё до открытия в 1967 году радиопульсаров физи­ки и астрофизики ­начали обсуждать возможные свойства нейтронных звёзд. Едва ли не самые удиви­тельные связаны с высокой плотностью ­вещества. Например, недра нейтронных звёзд могут иметь температуру в сотни миллионов градусов, но при этом быть сверхтекучими и сверхпроводящими. Может быть, недра этих объектов, хотя бы некоторых, состоят вовсе не из нейтронов, а из свободных кварков. Может быть… Много чего может быть у таких небесных тел. Неудивительно, что именно там «плещутся» самые странные океаны.

Что видно на срезе?

Наука всё анализирует, то есть разлагает и расчленяет. Посмотрим на нейтронную звезду в разрезе. Внутри ядро, снаружи кора. Ещё выше может быть атмосфера. Она удивительна. Её толщина измеряется сантиметрами. Но она может полностью изменить спектр излучения нейтронной звезды. Или выпасть в осадок — конденсат. В сильном магнитном поле атомы выстроятся в цепочки вроде полимерных, и газообразная атмосфера, скованная, упадёт на поверхность.

Ядро делят на две части. Уже во внешнем ядре нет атомных ядер (удержаться от такого каламбура тяжело). А есть нейтроны, протоны и электроны. Ещё может быть немного мюонов — они подменяют электроны в веществе высокой плотности. 

Во внутреннем ядре… 

Мы не знаем. Там могут быть чудеса: гипероны или пионы, «обычное» кварковое вещество или совсем уж необычное. А может быть, там просто протоны, нейтроны и мюоны — до самого центра. Надеемся скоро узнать.

Как у апельсина или арбу­за, «кожура» нейтронной звезды тонкая — примерно одна десятая её радиуса. Кору тоже делят на две части: внешнюю и внутреннюю. Граница между ними проходит по плотности, при которой из ядер начинают «вытекать» нейтроны. Это ­соответствует примерно 1/500 плотности атомного ядра. Ближе к границе вещество во внутренней коре состоит из ядер, электронов и нейтронов между ними. Чем глубже, тем выше концентрация частиц. ­Нейтронов становится всё больше. Наступает фаза «ядерной пасты» — спагетти и листы лазаньи из ядер в «­соусе» из нейтронов (такую «пасту» Мария Кюри ­могла бы приготовить Пьеру на ужин), если бы это было возможно в лаборатории.

Такое состояние вещества чем-то напоминает жидкие кристаллы. Потом картина меняется, состав пасты становится иным: спагетти и листы лазаньи из нейтронов в соусе из однородной ядерной смеси протонов и нейтронов. Далее ядро, где, как мы помним, ядер нет.

Внешняя кора. Обычно говорят, что это самая простая часть нейтронной звезды, так как там самая низкая плотность. Поэтому всё (или почти всё) ясно. Отчасти это так. Но именно там находится самый странный океан. 

Хватит, чтобы пойти ко дну

Чем ближе к поверхности, тем меньше плотность. Но у нейтронных звёзд есть фокус: кроме тонкого — менее 100 метров — слоя вблизи поверхности у них везде почти одинаковая температура. Поэтому основание внешней коры получается довольно горячим. Если мы говорим о молодой и не слишком тяжёлой нейтронной звезде (сотни тысяч лет и меньше), то это температура в сотни миллио­нов градусов, тут уж что кельвины, что градусы Цельсия — всё едино. В результате внешние слои могут плавиться. Обычно это происходит на глубине несколько десятков метров от поверхности. Здесь-то и начинается странный океан.

«Воды» этого океана — так называемая кулоновская жидкость. Состав «воды» может меняться от водорода до железа. Именно в этом слое нейтронной звезды происходит скачок температуры от сотен миллионов градусов на дне до одного миллиона на поверхности. Плотность вещества в нём в десятки миллионов раз больше плотности воды. Глубина как у Азовского моря. Зато покрывает океан всю звезду (пусть и размером с город).

Многие молодые одиночные нейтронные звёзды, которые мы наблюдаем благодаря тепловому излучению их поверхности, снаружи жидкие. То есть мы видим поверхность океана, постепенно переходящего в плотную атмосферу нейтронной звезды.

Океан и лёд

Земные океаны сейчас не замерзают, за исключением Северного Ледовитого. Этим они отличаются от океана Европы. Там бы давно начали искать жизнь, если бы не надо было тащить в окрестности Юпитера буровую установку: вся Европа покрыта толстым слоем льда — как старушка Европа на Земле в разгар ледникового периода. Может ли быть самый странный лёд на поверхности самого странного океана?

Да.

Но. Для этого нужно, чтобы нейтронная звезда была ещё более странной — чтобы она была магнитаром.

Про магнитары надо запомнить, во‑первых, что они пишутся через букву «и» (если, конечно, вы по какой-либо причине не пишете «магнЕтосфера»). А во‑вторых, что вблизи поверхности у них всегда сильное магнитное поле. Примерно в миллион миллиардов раз больше, чем на Земле. И такое поле начинает «руководить» веществом.

Рассмотрим молодой магнитар. На поверхности у него жарко: три-четыре миллиона градусов. Но поверхность твёрдая. Начинаем углубляться — температура быстро растёт. Уже на глубине семь сантиметров (меньше штыка лопаты) она такая высокая, что может расплавить вещество. Значит, у такого магнитара есть океан, который сверху покрыт тонким (но очень плотным) льдом.

Железные «воды» подо льдом темны и неспокойны. Внешняя часть ­океана бурлит — тепло горячих недр передаётся поверхности конвекцией. Если магнитар вспыхивает, то, веро­ятно, лёд ломается, и на поверхности океана плавают «льдины» плотностью в тысячи раз больше, чем у стали.

Океаны огня

Для того чтобы на поверхности нейтронной звезды «плескалась» жидкость, надо, чтобы там было горячо. А если звезда уже немолода: ей миллиарды лет, и она остыла? Тогда океан может застыть, превратиться в твёрдую кору. Значит, надо её разогреть. Есть один хороший способ сделать это.

В двойной системе на нейтронную звезду может начать перетекать вещество звезды-соседки. Этот процесс называют аккрецией. Вещество звёзд в основном состоит из водорода и гелия. Именно эти два элемента и попадают на поверхность компактного объекта. При этом вещество, разогнанное гравитацией нейтронной звезды до скорости в десятки тысяч километров в секунду, резко останавливается. Выделяется много энергии.

Если вещества перетекает много, то водород начинает превращаться в гелий, а гелий — в более тяжёлые элементы. Обычно это происходит глубоко в недрах нормальных звёзд, которые мы ночью видим на небе, но у нейтронных это происходит на самой поверхности. Температура в этом случае достигает сотен миллионов градусов (для сравнения: в центре Солнца — пятнадцать миллионов). А под этим адом — океан.

Море синее зажгли

При наличии ­мощного аккреционного потока над океаном идёт термоядер­ное горение водорода и гелия. Последний превращается, как правило, в углерод. Так что в основном океан будет состоять именно из него. Очень хочется назвать это жидким алмазом (ведь давление там гигантское), но это было бы преуменьшением. Нас ждёт сюрприз! Разогретый почти до миллиарда градусов океан углерода с плотностью в десять миллиардов раз больше, чем у воды, взрывается. Это термоядерное горение. Вспышка длится около часа, и за это время выделяется столько энергии, сколько Солнце высвечивает за год. Энергии настолько много, что уносить её приходится нейтрино.

Но не у всякой нейтронной звезды углеродный океан загорается часто. Надо, чтобы в месте падения вещество не успело быстро растечься, тогда там возникнет область с особенно высокими температурой и плотностью.

Жидкая гора

Поднять большую волну в океане нейтронной звезды трудно — мешают высокая плотность и очень сильная гравитация. Зато можно строить жидкие горы. Удерживать вещество от растекания помогает сильное магнитное поле.

Вещество нагрето до высокой температуры, плотность крайне высока — электроны оторваны от ядер. Плазма. Заряженные частицы не любят двигаться поперёк силовых линий магнитного поля. Поток вещества со звезды-соседки течёт на магнитные полюса нейтронной звезды как бы по магнитной трубе. И когда всё это падает в океан, плазма не может быстро растечься. Возникает жидкая магнитная гора высотой около метра (твёрдые «горы» на поверхности твёрдой коры вряд ли вырастают выше нескольких миллиметров).

Существование таких гор должно иметь интересное следствие. Из-за нарушения сферической (а заодно и цилиндрической) симметрии, поскольку магнитные полюса не совпадают с полюсами вращения, нейтронная ­звезда становится источником гравитационных волн. Правда, не слишком мощным, поэтому пока мы не можем напрямую поймать этот сигнал. Но потери момента импульса (то есть, упрощая, энергии вращения) за счёт испускания гравитационных волн можно обнаружить по косвенным свидетельствам, изучая параметры вращения.

Какая рыба плавает быстрее всех

На нейтронной звезде всё происходит очень быстро из-за сильной гравитации. Гравитационное ускорение на поверхности в сто миллиардов раз больше, чем на Земле. Это означает, что маятник, совершающий у нас колебание за 3 секунды, на нейтронной звезде совершит его за одну стотысячную.

Сильная гравитация приводит к быстрому разделению элементов на лёгкие и тяжёлые. В океане более тяжёлые элементы быстро идут на дно, а сверху остаются лёгкие, это происходит за несколько дней или месяцев. Поэтому океан (если в нём нет конвекции), скорее всего, состоит из чётких слоёв с разным составом (то есть, даже если вы перемешаете «Кровавую Мэри», очень быстро томатный сок ­окажется внизу). Воспрепятствовать этому может только турбулентное перемешивание, возникающее из-за большой разницы температур в разных частях поверхности океана и эффекта Холла.

Высокие плотность и температура тоже ускоряют процессы. Из этого было получено фантастическое следствие.

Фрэнк Дрейк (тот самый, автор формулы Дрейка) в 1973 году предложил наи­страннейшую идею о том, что нейтронные звёзды могут быть обитаемы. Здесь мы вступаем в запредельно странные тёмные воды.

Я помню, как в начале 90-х, когда в нашем отделе был единственный 286-й компьютер, приходилось работать на нём по ночам. При этом я учился на 4–5-м курсах, и лекции и семинары никто не отменял. В результате часам к пяти утра состояние ума было совершенно изменённым, работать было уже почти невозможно. Но все стены были уставлены полками с книгами, и я их листал с произвольного места. Именно в такой момент я и прочёл впервые о жизни на нейтронных звёздах. Удивительной, необычной, невероятной для человеческого понимания.

Идею Дрейка в фантастических романах «Звёздо­трясение» и «­Драконье ­яйцо» развил Роберт Фор­вард (кстати, Форвард по образованию инженер-­физик, его диссертация была посвящена детекторам гравитационных волн). Существа ­должны быть микроскопическими. И с очень высоким темпом жизни. Всё происходит в миллионы раз быстрее, чем у нас. Конечно, это фантастика. Но очень вдохновляюще. По мысли Дрейка, эта жизнь должна существовать на твёрдой поверхности. Инте­ресно, как бы ­обернулось дело, будь там ещё и океан?

Самый странный?

Пожалуй, что да. Из известных. Вообще, в мире неживой природы нейтронные звёзды собрали больше всего интересной физики: высокие плотности, сильные поля, гигантская сила тяжести. Интереснее может быть только живое. Солярис. Правильно Бродский писал: «Рыба интереснее груши».

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №5-8 (19-22) лето 2016 г.