Нейтронные звёзды состоят из спагетти и ячменных зёрен

Нейтронные звёзды состоят из спагетти и ячменных зёрен (www.membrana.ru)
[email protected]
Выпуск № 42
Основные представления о нейтронных звёздах можно найти и в популярной литературе и в учебниках. Ещё не чёрная
дыра, но плотность колоссальная — намного выше плотности атомных ядер. А что внутри? Последователи различных
теорий спорят об этом уже два десятка лет. Но, может быть, скоро их споры прекратятся.
Один из самых активных исследователей нейтронных звёзд — Норман Гленденнинг (Norman Glendenning)
из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) — увлёкся ими ещё в 1980-х. И сейчас его давние и современные идеи служат предметом ожесточённых дискуссий.
Некогда на одном из ускорителей Беркли (Bevalac) учёные получали на короткие мгновения состояние вещества с плотностью втрое выше ядерной, но даже этого было мало, чтобы адекватно воспроизвести внутренность нейтронной звезды, где плотность материи намного-намного выше. При размерах в 10-20 километров их
масса столь велика, что сила тяжести на поверхности в 100 миллиардов раз больше, чем тяготение на поверхности Земли. Это тяготение оказывается больше, чем внутриядерные силы, так что в центре звезды материя превращается… Во что? Во что именно — остаётся предметом теоретических споров, которые, правда, несколько
Превращение обычной материи в разбавляются анализом наблюдений реальных нейтронных звёзд, но об этом позже.
Интересно, что вопреки распространённому среди неспециалистов представлению нейтронные звезды не
кварковую многие физики сравнивают с переходом двух агрегатных состоят исключительно из нейтронов. Хотя их общий заряд нейтрален, там можно найти и протоны, и электроны,
состояний воды, но есть учёные, и множество других частиц. "Начинка" такой звезды далеко не однородна — на разных её глубинах существует
которые говорят, что такая анало- разное давление и разное строение. А ведь ещё на всю эту "кухню" сильно влияет скорость вращения нашего
гия недопустимо проста (иллюстобъекта.
рация с сайта lbl.gov).
Вот как выглядит экскурсия внутрь нейтронной звезды. Перемещаясь к центру, мы увидим, что по мере увеличения плотности материя сжимается так, что в некоторый момент кварки, составляющие так называемые элементарные частицы, становятся освобождёнными. Тут необходимо отступление — в отношении кварков применяют термин confinement — заключение, что подразумевает: кварки всегда
находятся внутри частиц, которые они составляют, и наблюдать их "по отдельности" принципиально невозможно. Но нет правил без исключения. В
центре нейтронных звёзд, говорят физики, нет даже нейтронов — лишь сплошной "суп" свободных кварков, с добавкой глюонов (вообще-то, эти частицы являются "клеем" для кварков внутри ядерных частиц). При этом большинство теоретиков полагает, что переход этот, от обычной материи к
кварковой, происходит по мере нашего мысленного продвижения вглубь звезды — в один момент, словно граница льдом сверху и водой внизу — на
замёрзшем озере. Вот с ними и спорит наш герой, предлагая картину куда более сложную.
Дело в том, что когда вода замерзает, меняется только одно — расположение и взаимодействие её молекул. В нейтронной звезде мы можем
увидеть самые разнообразные, пересекающиеся изменения: и электрических зарядов, и так называемого барионного числа и прочее, и прочее. Фазовые переходы в таком случае — очень сложны. Поскольку нет прямой связи между двумя упомянутыми свойствами материи. Так, нейтрон имеет
положительное барионное число, но нулевой электрический заряд. Верхний и нижний кварк имеют одинаковое барионное число (плюс 1/3), но электрический заряд первого — плюс 2/3, а второго минус 1/3. Гленденнинг считает, что из-за этой системы переходов по двум параметрам материя в
нейтронной звезде существует не только в чистых, но и в так называемых смешанных фазах, где присутствуют и элементарные частицы, и свободные кварки. При этом в определённых слоях внутри нейтронной звезды поддерживается превращение материи, напоминающее кипение супа: прото-
ны превращаются в нейтроны, кварки разных типов превращаются друг в друга и так далее. А всё вместе
создаёт удивительные структуры и поддерживает их в равновесии.
На энной глубине адронный слой (своего рода кристалл) содержит лишь немного свободных кварков, которые вплетены в него, как капельки жидкой воды в сплошной лёд. Глубже "капельки" кварков удлиняются к "прутам", ещё глубже они сливаются в "плиты" (как слоёное тесто, перемежаемое начинкой).
Адроны же, наоборот, глубже представляют "плиты", потом "стержни", потом — редкие "капельки". Наконец, в самой глубине мы видим чистый набор свободных кварков и ничего больше. А вот во внешних слоях мы видим те самые нейтроны, которым изучаемая нами звезда обязана своему названию, а самый же
внешний (тонкий) слой составляют ионы. Американский физик подобрал "гастрономические" образы к
этим странным слоям — ячмень, спагетти, лазанья.
Отлично. Но есть ли способ хоть как-то проверить картину учёного экспериментально? Это непросто, но подход уже найден. Ещё в 1970-х физики обнаружили, что если с огромной скоростью закрутить
вокруг своей оси ядра редкоземельных элементов (а такое вращение им можно придать в ряде экспериментов на ускорителях), то будет наблюдаться странный эффект: время от времени вращение ядра резко
замедляется, а потом вновь ускоряется без видимой причины. Возможное объяснение — быстрое враВнутренности нейтронной звезды по Глен- щение создаёт силы, способные кратковременно разорвать связи между отдельными протонами или
деннингу (иллюстрация с сайта lbl.gov).
нейтронами. Это меняет момент инерции ядра.
Гленденнинг полагает, что нечто похожее может происходить и с нейтронной звездой — бурные
взаимные превращения ряда частиц-адронов и кварков могут влиять на её вращение. А его-то мы можем
фиксировать, благодаря радиоволнам, испускаемым вращающейся нейтронной звездой с сильным магнитным полем. Так маяк посылает свой луч по кругу (это те самые пульсары), за которыми давно наблюдают астрономы.
Как нейтронная звезда может менять своё вращение? Например, захватывая материю от обычной
звезды-спутника. Так нейтронная звезда ускоряется. Но тогда давление в её недрах падает (из-за центробежных сил), а значит — перемещаются вглубь границы тех самых фазовых переходов, где нормальная материя превращается в кварковую. Последней становится меньше, момент инерции всей звезды
увеличивается, и она вновь замедляется.
Другой случай наблюдаем, когда ось магнитного поля нейтронной звезды не совпадает с её осью
вращения. Возникает торможение. Ведь энергия уходит с электромагнитным излучением. Пульсар постепенно вращается всё медленнее, что увеличивает давление в его "интерьере", тогда кварковая материя
начинает формироваться в его центре и наращиваться, наращиваться… А поскольку кварковая материя Два процесса способные тормозить (на передчрезвычайно плотна, она, напротив, ускоряет своё вращение (как конькобежец, сводящий руки вместе), нем плане) или ускорять (на заднем плане)
постепенно увлекая и внешние слои, и разгоняя вновь всю звезду в целом.
вращение нейтронной звезды (иллюстрация с
Что же выходит? Существует саморегулирующийся механизм, не позволяющий нейтронной звезде сайта lbl.gov).
вращаться слишком быстро и слишком медленно. А значит, достаточно старые нейтронные звёзды должны "тяготеть" к какой-то средней частоте
вращения (что зависит, конечно, и от их массы). При этом оба процесса могут и сочетаться, да ещё при их расчётах нужно учитывать релятивистские
эффекты, возникающие при сверхсильном тяготении.
И всё же это явление, полагает Гленденнинг, можно попытаться отследить по статистике распределения частот вращения пульсаров на примере достаточно большого их "населения". Действительно, однажды анализ каталога рентгеновских пульсаров показал такой "пик", но позже результат
дезавуировали какими-то пересчётами.
По большому счёту, учёным не хватает нейтронных звёзд. В смысле, слишком мало ещё собрано статистики по самым разным нейтронным
звёздам, чтобы делать далеко идущие выводы. Во всяком случае — в данном вопросе. Сейчас астрономы обдумывают и пробуют новые виды наблюдений, которые позволят вычислять массу и радиус нейтронных звёзд. Скоро информации об одних из самых загадочных объектов Вселенной
должно прибавиться. Тогда, может быть, мы узнаем — прав ли мистер Гленденнинг.
Скоростной поезд на гусиных перьях подражает эритроцитам (www.membrana.ru)
Эта идея больше похожа на очередную историю барона Мюнхгаузена. Однако серьёзные учёные уже подвели под неё базу. Американские
физики считают, что сверхскоростные поезда будущего смогут парить почти без трения над дорогой, устланной гусиным пером.
Лидер команды исследователей — Шелдон Вайнбаум (Sheldon Weinbaum) из университета Нью-Йорка (City University of New York) — подсмотрел эту идею сразу в двух, не связанных на первый взгляд, областях: он задумался над принципами лёгкого движения сноубордиста по свежему пушистому снегу и перемещения клеток крови в капиллярах.
Оказывается, процессы, обеспечивающие очень лёгкое скольжение и подъёмную силу при движении сноубордиста и кровяных клеток — имеют
общую природу. Если при движении по плотно укатанному снегу роль смазки играет вода (тонкий слой снега тает под давлением), то в случае с пушистым, недавно выпавшим снегом — воздух, содержащийся в его мельчайших порах. Когда сноубордист на
большой скорости летит по такому склону, он не успевает проваливаться до слоя плотного снега, так как воздух
не успевает выйти из-под доски. А выйти он стремится в основном вверх.
Это быстрое сжатие тонкого верхнего слоя пушистого снега создаёт воздушную подушку. И это противодавление достаточно велико, чтобы выдержать вес человека. Причём процесс этот динамический — на месте человек опустится вниз, сжав весь рыхлый снег.
А что же происходит в кровеносных сосудах? То же самое. Роль пушистого снега играют сети покрытых сахарами белков, покрывающих стенки сосудов. При прохождении клетки крови из под этой сетки выдавливается
жидкость, создавая и смазку, и подъёмную силу, не позволяющую клетке затормозить, прижавшись вплотную к
стенке.
Чтобы не провалиться в рыхлый
Исследователи считают, что можно построить дороги, типа лотков, выстланные гусиными перьями, по котоснег, сноубордист должен двигаться
быстро. Этот принцип можно ис- рым на высокой скорости могли бы скользить 50-тонные поезда. И перья выдерживали бы их вес, так как внутри
пользовать в необычном поезде своего мельчайшего пуха они содержат достаточно воздуха для создания динамической подушки.
(фото с сайта home.fmh.utl.pt).
Для проверки идеи учёные построили установку — цилиндр и поршень — в которой с
большой скоростью сжимали рыхлый снег. Оказалось, что в первые мгновения сжатия воздух, выходящий из пор сжимаемого снега, создаёт очень сильное противодействие поршню.
Но через секунду-другую это давление падало до нуля, поскольку воздух уходил прочь.
"Также и пушистый снег поддерживает сноубордиста, если он не задерживается в одной
точке дольше секунды", — утверждают физики.
Они также обнаружили, что давление в снежных порах под сноубордом с площадью
поверхности 0,5 квадратного метра равно 1,4 килопаскаля, то есть способно нести 70 килограммов веса. Экстраполируя эти результаты к 50-тонным поездам, учёные вычислили, что
Упрощённая схема поезда "на пуху" (иллюстрация с сайта
давления в 9,8 килопаскалей будет достаточно для поддержания поезда в 25 метров длиной
physicsweb.org).
и 2 метра шириной.
Согласно расчётам учёных, пористый материал с проницаемостью как у гусиного пуха,
мог бы обеспечить требуемые параметры. Но, конечно, они не собираются строить из гусиного пуха настоящие железные дороги. Они были бы слишком дорогостоящими и недолговечными. На замену гусиных перьев вполне подойдут специально подобранные синтетические материалы, лишь бы
они создавали высокопористый пух на поверхности трассы. Поскольку такой поезд может лететь над пухом лишь на высокой скорости, в начале разгона и при торможении он будет использовать выдвижные колёса, катящиеся по специальным желобам или рельсам. Но как только достаточная для
парения скорость набрана — колёса поднимаются.
Когда такой поезд появится в действительности, авторы работы не берутся предсказать, но уже сейчас закупают в больших количествах перьевые подушки. Пока лишь для лабораторных опытов.
WD выпустила 80 ГБ карманные накопители Passport (CNews.ru)
Корпорация Western Digital представила WD Passport — новую модель портативного накопителя на жёстких
дисках с интерфейсом USB. Портативные накопители WD Passport не требуют дополнительного источника питания
(при работе с большинством систем) и имеют ёмкость 40 или 80 ГБ.
Основой портативных накопителей WD Passport являются 2,5-дюймовые жёсткие диски WD Scorpio
с интерфейсом EIDE, отличающиеся высокой скоростью работы, малым энергопотреблением, невысоким уровнем
шума и низкой рабочей температурой. Эти накопители заключены в прочный защитный корпус и оснащены системой Data Lifeguard, обеспечивающей максимально надёжную защиту от потери данных.
Основная задача портативных накопителей WD Passport — служить «цифровым портфелем» для файлов. На
один портативный накопитель WD Passport ёмкостью 80 ГБ можно записать примерно 20 двухчасовых фильмов
с качеством DVD или более 1300 часов музыки.
Поступление в розничную продажу портативных накопителей WD Passport ожидается в следующем месяце.
Рекомендуемая розничная цена портативного накопителя WD Passport с интерфейсом USB ёмкостью 40 ГБ составляет $200, а ёмкостью 80 ГБ — $260.