Суперобъекты - Страница 57

Поэтому, даже если у нас есть мощный красивый аккреционный диск вокруг черной дыры и мы его наблюдаем, то он имеет внутреннюю границу. Но диск обрывается не на горизонте черной дыры, как можно было бы ожидать, а на большем расстоянии. Может быть, даже в три раза дальше – зависит от того, как вращается черная дыра и в какую сторону крутится диск. То есть от внутреннего края диска вещество попадает внутрь черной дыры очень быстро – из-за этого там как бы возникает щель, нет яркой области, в которой достаточно долгое время существовало бы нагретое вещество. Поэтому изучать то, что происходит в совсем сильных гравитационных полях в черных дырах – зачастую сложно.

Нейтронная звезда может иметь радиус меньше, чем радиус такой последней устойчивой орбиты, т. е. диск также может не доходить до поверхности. Зато сама поверхность видна! Она твердая, и мы можем наблюдать ее, т. е. изучать плотную материю в сверхсильном гравитационном поле. Нейтронные звезды дают возможность изучать практически всю физику (электродинамику, гидродинамику, ядерную физику и т. д.) на фоне сильнейшей гравитации. И все это благодаря астрономическим наблюдениям, которые становятся все лучше. Ведь мы живем в счастливое время, когда каждые 10–20 лет можно получать инструменты во всех диапазонах спектра, превосходящие своих предшественников на порядок по всем параметрам. Кроме их стоимости: она остается примерно такой же. Более того, мы осваиваем все новые и новые методы наблюдений (гравволны, нейтрино). И пытаемся заглянуть в недра компактных объектов.

Аккреционные диски вокруг черных дыр с разным вращением. Диск вокруг невращающейся черной дыры обрывается на большем расстоянии. На рисунке не показан эффект искривления изображения диска, ставший известным благодаря фильму «Интерстеллар». Однако важно понимать, что на самом деле диск не искривлен, искаженным является только его изображение.

Сверхтекучие звезды

Другое очень важное для физиков свойство нейтронных звезд связано с высокой плотностью в их недрах. Там с веществом начинают происходить всякие удивительные вещи. Например, вещество, несмотря на высокую температуру (температура во внутренних слоях нейтронной звезды достигает порядка миллиарда градусов и даже выше!), может оказаться в сверхтекучем состоянии. Если в сверхтекучее состояние перешли протоны, то это вдобавок означает и сверхпроводимость. И у нас есть возможность наблюдать всякие интересные эффекты, связанные с этим.

Например, сверхтекучая жидкость вращается не так, как обычная. Если вы возьмете стакан со сверхтекучей жидкостью и начнете его крутить, то жидкость как целое вращаться не будет, а в жидкости возникнут квантованные вихри. Это, кстати, хорошо изучено в лабораториях. В Интернете можно посмотреть замечательные ролики, где показано, как возникают эти вихри. Нейтронная звезда работает в некотором смысле как такой стакан. Есть большая нейтронная звезда, у нее есть совсем не сверхтекучая кора плюс еще какие-то внутренние слои, содержащие заряженные частицы, которые связаны с корой. Такими частицами могут быть, например, те же самые протоны. Но вдобавок к этому в коре могут существовать сверхтекучие нейтроны. Тогда, с одной стороны, основная масса звезды вращается как единое целое, а с другой – сверхтекучая нейтронная жидкость внутри звезды крутится совсем по-другому: она образует внутри себя вихри. И вращательные свойства сверхтекучей жидкости и всего остального могут быть разными.

Волчок может прецессировать. Его ось вращения сама будет изменять направление в пространстве.

Нейтронная звезда постепенно замедляет свое вращение, потому что это замагниченный шарик. Из-за существования внешнего магнитного поля возникают токи, которые тормозят вращение нейтронной звезды. Звезда тормозится, а сверхтекучая жидкость еще ничего про это не знает, она (как умеет) крутится быстро. Но нельзя накапливать эту разницу в темпе вращения бесконечно. В конце концов, система квантовых сверхтекучих вихрей перестроится, скорости вращения выровняются, и что произойдет?.. Звезда уже крутится медленно, а жидкость пока еще крутится быстро. Если они выравнивают свои свойства, значит, жидкость передает свое вращение звезде. Мы будем видеть, как нейтронная звезда вдруг подкрутилась. Такие события наблюдаются и называются «глитчи». Это, по всей видимости, уникальная возможность изучать поведение сверхтекучих жидкостей в таком большом масштабе. Ведь у нас, конечно, нет возможности создать десятикилометровый стакан на Земле и привести в нем нейтроны в сверхтекучее состояние.

О глитчах мы уже упоминали в этой книге. Но есть еще один феномен, который пока мы обходили стороной. Это прецессия. Если взять волчок и закрутить его неточно вдоль оси симметрии, то он будет не только крутиться, но его ось будет совершать медленное периодическое движение (с периодом намного больше периода вращения) вокруг направления вращения.

Прецессирует ось Земли. Могут прецессировать и нейтронные звезды. Но тут есть одна проблема. Если в коре есть сверхтекучая нейтронная жидкость, то в ней есть вихри. И каждый такой вихрь работает как маленький гироскоп. То есть его ось очень трудно заставить изменить свое направление (поэтому гироскопы и используют в системах ориентации ракет и спутников). Прецессия хочет заставить вихри повернуться, а они сопротивляются. Это может привести к тому, что прецессия, аналогичная той, что мы видим у волчка, у нейтронных звезд наблюдаться не будет.