Вириєте одну чайну ложку матеріалу нейтронної зірки, і вона важила б приблизно у 900 разів більше за Велику піраміду Гізи. Нічого в цій фразі не є перебільшенням — це просто те, що відбувається, коли ядро вмираючої зірки здавлюється за межу, коли атоми не можуть утримувати свою форму.
Нейтронна зірка — це те, що залишається після колапсу масивної зірки. Це не планета, не звичайна зірка і не зовсім чорна дірка — вона знаходиться в вузькій зоні перед тим, як гравітація остаточно переживе. З часу відкриття Джослін Белл Бернелл астрономи знаходять все більше дивних прикладів їх, від зірок, які обертаються швидше, ніж кухонний блендер, до зірок, чиї магнітні поля могли б стерти кредитну карту з половини відстані від Землі до Місяця.
Зірка, стиснута до розміру міста
Візьміть зірку з масою приблизно в 1,4 рази більше сонячної маси і стисніть її в сферу розміром лише близько 10 кілометрів (6 миль) в діаметрі, і ви отримаєте нейтронну зірку. Це приблизно ширина маленького міста, що містить масу зірки, яка колись палала протягом мільйонів років у діаметрі, який ви могли б перетнути за кілька хвилин.
Стиснення настільки екстремальне, що звичайна матерія не може його витримати. Протони та електрони змушуються разом у нейтрони, звідки об'єкт отримує свою назву. Результат настільки щільний, що одна чайна ложка цього важила б приблизно у 900 разів більше за Велику піраміду Гізи — факт, який перестає звучати абстрактно в той момент, коли ви намагаєтеся уявити чайну ложку такого ваги на кухонному столі.
Точка, де навіть нейтронна зірка здається
Нейтронні зірки мають ліміт ваги, і його перевищення означає стати чорною дірою. Подія злиття 2017 GW170817, як вважається, упала в чорну діру незабаром після удару, дозволила астрономам використовувати її сигнал гравітаційних хвиль для встановлення цієї межі приблизно на 2,17 сонячних мас для нерухомої нейтронної зірки.
Справжні нейтронні зірки дивовижно близько підходять до цієї межі. Найбільш масивна з підтверджених на сьогодні, пульсар каталогізований як PSR J0952-0607, важить приблизно 2,35 сонячних мас, з істинною цифрою невизначеною приблизно на 0,17 в обох напрямках. Це розташовує її прямо на межі, де дещо важча версія того ж об'єкта перестала б бути зіркою.
Деякі з них обертаються швидше, ніж блендер
Оскільки зірка, що колапсує, зберігає більшість своєї оригінальної обертання, стиснутися до дробу її колишнього розміру, нейтронні зірки в кінцевому підсумку обертаються з швидкостями, які не мають повсякденного порівняння. Рекордсмен, пульсар названий PSR J1748-2446ad, завершує 716 обертань кожну секунду — це становить 42 960 обертів на хвилину, з матеріалом на його поверхні, що рухається приблизно на чверть швидкості світла.
Обертаючись нейтронні зірки, які промені радіацію на Землю, називаються пульсарами, тому що з нашої точки зору промінь виглядає як ритмічний імпульс, подібний маячу, що проходить повз корабель. Типовий пульсар має лише близько 30 кілометрів в діаметрі, але все ж удається обертатися сотні разів на секунду, одночасно стріляючи цим пучком радіохвиль — а іноді й рентгенівських променів — у космос.
Реєстратор графіків, 57 тенісних кортів та невипадкове відкриття
Пульсари були виявлені майже випадково. Студентка докторської програми Кембриджа на ім'я Джослін Белл допомагала побудувати радіотелескоп, який охоплював трохи менше двох гектарів землі, приблизно така ж площа, що й 57 тенісних кортів. Замість екрана він виробляв результати аналоговим способом: записи діаграм пером на папері, які розтягувалися на більш ніж 30 метрів кожного дня, які вона мала розбирати вручну.
Похований у цьому папері був сигнал занадто правильний, щоб бути шумом. Белл і її наставник Антоні Хьюїш опублікували відкриття в журналі Nature, і знахідка в кінцевому підсумку отримала Нобелівську премію — але коли 1974 Нобелівська премія з фізики була присуджена за це, честь дісталася Хьюїшу та його колегі Мартину Райлу, не Белл самій, рішення, яке фізики досі обговорюють.
Полювання на пульсари дійшло далеко від стопки паперових виписок. Астрономи тепер каталогізували понад 2600 з них, переважно в межах Чумацького шляху, і використовують їх для пошуку гравітаційних хвиль низької частоти, картування структури галактики та тестування загальної теорії відносності Ейнштейна. Радіотелескоп Паркеса в Австралії, який провів своє перше спостереження пульсара в 1968 році, пізніше з'явився поряд із зображенням пульсара на першій австралійській паперу 50 доларів — рідкий випадок наукового інструменту на валюті.
Магнітари: найсильніші магніти у Всесвіті
Деякі нейтронні зірки доводять екстремуми ще далі. Магнітари — це підклас з магнітними полями настільки потужними, що звичайна фізика починає згинатися навколо них, і станом на липень 2021 року астрономи підтвердили 24 з них.
Масштаб цього магнетизму важко перебільшити. Розташований на половині відстані від Землі до Місяця — середня відстань яких становить 384400 кілометрів (238900 миль) — магнітне поле магнітара все одно могло б стерти дані на магнітній смузі кожної кредитної карти планети. Наближатися до однієї в реальному житті було б дуже поганою ідеєю, і, на щастя, найближчі відомі магнітари взагалі не так близько.
Коли два з них зіткнуться
Нейтронні зірки іноді орбітують одна одну достатньо близько, щоб спіралювати та зливатися, і результат — один із найнасильніших подій, які астрономи можуть спостерігати. Гравітаційні хвилі саме від такого зіткнення, названого GW170817, досягли обсерваторій LIGO та Virgo 17 серпня 2017 року; джерелом було два нейтронні зірки, які зливалися всередину NGC 4993, галактики в сузір'ї Гідра приблизно 140 мільйонів світлових років від Землі.
Це злиття не була одиничним випадком. Спалах гамма-променів, називаний GRB150101B, підозрюється як подібна подія злиття, був відстежений у місце набагато далі від Землі — приблизно 1,7 мільярда світлових років — що свідчить про те, що такі зіткнення трапляються частіше у Всесвіті, ніж могло б показати будь-яке одне виявлення. Вважається, що кожне злиття кує важкі елементи, які жодна звичайна зірка не може виробити, засіваючи Всесвіт матеріалом, який зрештою закінчується в планетах і можливо у прикрасах.
Дивна компанія: Інопланетний страх та обкладинка альбому
Нейтронні зірки залишили свій слід набагато за межами астрономічних журналів. Перші підтверджені планети за межами нашої сонячної системи були знайдені в 1992 році, і вони зовсім не орбітували звичайну зірку — вони орбітували пульсар PSR B1257+12, відкриття, що здивувало дослідників, які шукали планети навколо сонцеподібних зірок.
Десятиліттями раніше най самий перший сигнал пульсара був настільки регулярно точний, що вчені на короткий час замислилися, чи це могла б бути штучна маячок. Це не було, але графік його ритмічного сигналу отримав неймовірне друге життя: англійська пост-панк-група Joy Division вибрала цей графік пульсара як твір мистецтва для Unknown Pleasures, альбому 1979 року, який запустив їхній дебют — перетворивши фізичне зчитування в один із найпізнаваніших зображень у рок-музиці.