Нейтронная материя — это одно из самых экстремальных и загадочных состояний вещества во Вселенной.
Она состоит преимущественно или полностью из нейтронов, упакованных с невероятной плотностью.
Единственное место, где она существует в макроскопических количествах, — это нейтронные звезды, которые образуются после гравитационного коллапса очень массивных звезд.
Например, чайная ложка нейтронной материи весит миллиарды тонн.
Что такое нейтронная Материя
Нейтронная материя (часто в научно-популярной литературе встречается термин «нейтроний», хотя в научной литературе этот термин не используется с 1945 года).
Это форма вещества, состоящая в основном из нейтронов, которые находятся в условиях экстремального давления и плотности.
В отличие от обычной материи, где атомы состоят из ядер (протоны и нейтроны) и электронов, в нейтронной материи электроны «вдавлены» в протоны под действием огромного гравитационного давления, превращая их в нейтроны.
Кто и что изучает нейтронную материю
Ядерная Астрофизика: Это ключевая область. Она находится на стыке ядерной физики и астрофизики.
Что изучает: Ядерная астрофизика исследует ядерные реакции и состояния материи в экстремальных астрономических условиях.
Включая внутреннее строение нейтронных звезд, процессы нуклеосинтеза (образования элементов) в них, и их роль в космических явлениях.
Она пытается понять, как себя ведет ядерное вещество при плотностях, значительно превышающих плотность атомного ядра.
Астрофизика: В более широком смысле, астрофизика занимается изучением физических процессов и явлений в космосе.
Что изучает: В контексте нейтронной материи, астрофизика исследует формирование нейтронных звезд, их эволюцию, наблюдаемые свойства (излучение пульсаров, аккрецию вещества, гравитационные волны от слияний нейтронных звезд), их роль в эволюции галактик и Вселенной.
Ядерная физика
Что изучает: Этот раздел физики занимается фундаментальными свойствами атомных ядер, сильным взаимодействием, нейтронами и протонами.
Для понимания нейтронной материи крайне важны знания о поведении ядерного вещества при высоких плотностях и давлениях.
А также о фазовых переходах в таких условиях (например, переход в кварковую материю).
Нейтронная физика как подраздел ядерной физики конкретно исследует свойства нейтронов.
Физика высоких энергий и физика элементарных частиц
Что изучает: Поскольку плотности в ядре нейтронных звезд настолько велики, что могут привести к разрушению нейтронов на их составные кварки.
Физика высоких энергий и элементарных частиц исследует эти экзотические состояния материи (например, кварк-глюонная плазма), которые могут существовать в центре нейтронных звезд.
Теория Относительности (Общая теория относительности):
Что изучает: Гравитационные поля нейтронных звезд настолько сильны, что их описание требует использования Общей теории относительности Эйнштейна.
Эта теория необходима для моделирования структуры нейтронных звезд, их вращения, излучения гравитационных волн и других релятивистских эффектов.
Как образуется нейтронная материя
Единственное известное место во Вселенной, где существует нейтронная материя в макроскопических количествах, — это нейтронные звезды.
Образование нейтронных звезд (и следовательно, нейтронной материи) происходит следующим образом:
Жизнь массивной звезды: Звезда с начальной массой в 8-20 раз больше массы Солнца исчерпывает свое ядерное топливо (водород, затем гелий и т.д.) в процессе термоядерного синтеза.
Гравитационный коллапс: Когда термоядерные реакции прекращаются, внешнее давление, создаваемое ими, исчезает, и звезда начинает быстро сжиматься под действием собственной гравитации.
Взрыв Сверхновой (Тип II): Ядро звезды коллапсирует, а внешние слои отскакивают от него, вызывая колоссальный взрыв, известный как Сверхновая типа II.
Образование нейтронной звезды: Если масса коллапсирующего ядра находится в определенном диапазоне (от ~1.4 до ~3 солнечных масс, так называемый предел Чандрасекара и предел Оппенгеймера-Волкова).
Гравитация становится настолько сильной, что преодолевает электростатическое отталкивание электронов и протонов.
Электроны буквально вдавливаются в протоны, образуя нейтроны (процесс, называемый обратным бета-распадом: p+e−→n+νe).
Результатом является сверхплотный остаток, почти целиком состоящий из нейтронов — нейтронная звезда.
Свойства нейтронной материи (на примере нейтронных звезд)
Невероятная плотность: Это самое плотное вещество во Вселенной, которое мы можем непосредственно наблюдать (черные дыры плотнее, но мы не видим их «вещество»).
Плотность нейтронной материи достигает порядка 1014−1015 г/см3.
Интересный факт: Чайная ложка вещества нейтронной звезды (объемом около 5 см3) весила бы столько же, сколько все горы Земли или даже больше, то есть миллиарды тонн!
Размеры: Несмотря на огромную массу (обычно в 1.4-2.5 раза больше массы Солнца), нейтронные звезды очень компактны.
Их диаметр составляет всего 10-20 километров (размер небольшого города).
Состав: Хотя ее называют «нейтронной» материей, она не на 100% состоит из нейтронов.
Поверхность (кора): Внешний слой (кора) состоит из сверхплотной «обычной» материи — тяжелых атомных ядер (в основном железа) и свободных электронов, расположенных в кристаллической решетке.
Внутреннее ядро: Предполагается, что во внутреннем ядре нейтронной звезды, где давление и плотность достигают максимума, нейтроны могут быть раздавлены до их составных частей.
Кварков (образуя так называемую кварковую материю), или могут существовать другие экзотические состояния вещества.
Это все еще область активных исследований.
Температура: Внутри нейтронной звезды температура может достигать миллиардов градусов Цельсия, но поверхность остывает до нескольких миллионов градусов.
Сильнейшая гравитация: Гравитация на поверхности нейтронной звезды в миллиарды раз сильнее земной.
Если бы вы уронили предмет с высоты одного метра на нейтронную звезду, он достиг бы поверхности со скоростью в тысячи километров в секунду.
Быстрое вращение (пульсары): Многие нейтронные звезды вращаются с чрезвычайно высокой скоростью — до нескольких сотен оборотов в секунду (как в случае с пульсаром в Крабовидной туманности, который делает 30 оборотов в секунду).
Это объясняется сохранением углового момента при коллапсе звезды.
Сверхсильные магнитные поля: Нейтронные звезды обладают одними из самых сильных магнитных полей во Вселенной (до 1011 Тесла).
Некоторые из них, называемые магнетарами, имеют поля еще на несколько порядков сильнее (до 1015 Тесла).
Сверхтекучесть и сверхпроводимость: Предполагается, что в условиях нейтронной звезды нейтроны могут переходить в сверхтекучее состояние, а протоны — в сверхпроводящее состояние при критических температурах.
Это означает, что они текут без сопротивления и не создают электрического сопротивления соответственно.
Интересный факт об нейтронной материи: нейтронные звезды, которые излучают регулярные импульсы электромагнитного излучения (как правило, радиоволн), называются пульсарами.
Примеры нейтронной материи
Единственным крупномасштабным примером нейтронной материи являются нейтронные звезды:
Пульсар в Крабовидной туманности (PSR B0531+21): Один из самых известных и хорошо изученных пульсаров, остаток сверхновой 1054 года.
Он вращается с частотой 30 оборотов в секунду.
Магнетары: Подкласс нейтронных звезд с экстремально сильными магнитными полями, которые могут вызывать гигантские вспышки рентгеновского и гамма-излучения.
Их известно около трех десятков.
Центральные компактные объекты в остатках сверхновых: Некоторые нейтронные звезды, которые не являются пульсарами и не излучают радиоволны, но наблюдаются в рентгеновском диапазоне.
Слияние нейтронных звезд: Наблюдение гравитационных волн от слияния двух нейтронных звезд (например, событие GW170817).
Позволило получить бесценные данные о свойствах нейтронной материи в самых экстремальных условиях.
Изучение нейтронной материи и нейтронных звезд позволяет ученым лучше понять поведение вещества в условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле.
А также проверить теории ядерной физики, гравитации и даже свойства пространства-времени.
Часто задаваемые вопросы
Сколько весит 1 чайная ложка нейтронной звезды?
Проверить это очень сложно, но примерно миллиарды тонн.
Чем опасна нейтронная звезда?
Столкновения нейтронных звезд вызывают колоссальные выбросы энергии, включая гравитационные волны и мощные гамма-всплески, способные стерилизовать целые области галактики.