Ультрахолодные газы в лаборатории могли бы помочь ученым лучше понять Вселенную.
С тех пор как были открыты нейтронные звезды, исследователи использовали их необычные свойства для исследования нашей Вселенной. Сверхплотные остатки звездных взрывов, нейтронные звезды, масса которых превышает массу Солнца, образуют шар шириной примерно с Сан-Франциско. Одна чашка этого звездного вещества весила бы примерно столько же, сколько гора Эверест.
Эти странные небесные тела могли бы предупредить нас о отдаленных возмущениях в структуре пространства-времени, рассказать нам о формировании элементов и раскрыть секреты того, как гравитация и физика элементарных частиц работают в некоторых из самых экстремальных условий во Вселенной.
“Они находятся в центре множества открытых вопросов в астрономии и астрофизике”, — говорит астрофизик Ванесса Грабер из Института космических наук в Барселоне.
Но чтобы точно интерпретировать некоторые сигналы нейтронных звезд, исследователи должны сначала понять, что происходит внутри них. У них есть свои догадки, но об экспериментах непосредственно на нейтронной звезде не может быть и речи. Поэтому ученым нужен другой способ проверить свои теории. Поведение вещества в таком сверхплотном объекте настолько сложно, что даже компьютерное моделирование не справляется с этой задачей. Но исследователи думают, что, возможно, они нашли решение: земной аналог.
Хотя температура молодых нейтронных звезд внутри может достигать миллионов градусов, по одному важному энергетическому показателю нейтроны считаются “холодными”. Физики считают, что это характеристика, которую они могут использовать для изучения внутренней работы нейтронных звезд. Вместо того чтобы смотреть в небо, исследователи вглядываются в облака ультрахолодных атомов, созданные в лабораториях здесь, на Земле. И это могло бы помочь им, наконец, ответить на некоторые давние вопросы об этих загадочных объектах.
Космические странности
Впервые предположение о существовании нейтронных звезд было высказано в 1934 году, через два года после открытия самого нейтрона, когда астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки задались вопросом, может ли небесное тело, полностью состоящее из нейтронов, остаться после взрыва сверхновой. Хотя они не разобрались во всех деталях, их общая идея теперь получила широкое признание.
Звезды питают себя энергией, соединяя ядра более легких атомов с ядрами более тяжелых атомов. Но когда в звездах заканчиваются эти более легкие атомы, ядерный синтез прекращается, и внешнее давление больше не борется с внутренней силой гравитации. Ядро коллапсирует, и внешний слой звезды устремляется внутрь. Когда этот слой попадает в плотное ядро, он отскакивает и взрывается наружу, образуя сверхновую. Плотное ядро, которое остается после этого, — это нейтронная звезда.
Только в 1960-х годах были, наконец, обнаружены гипотетические нейтронные звезды Цвикки и Бааде. Радиоастроном Джоселин Белл Бернелл заметила странный, регулярно пульсирующий радиосигнал из космоса, когда работала аспиранткой в Кембриджском университете. Она обнаружила нечто, чего никогда раньше не видели: особый вид нейтронной звезды, называемый пульсаром, который при вращении испускает лучи излучения через равные промежутки времени, подобно маяку. (Ее советник вместе с директором обсерватории — но не Белл Бернелл — позже получили Нобелевскую премию за это открытие.)
С тех пор были обнаружены тысячи нейтронных звезд. Будучи одними из самых плотных объектов с самым высоким давлением во Вселенной, нейтронные звезды могли бы помочь нам узнать о том, что происходит с материей при чрезвычайно высоких плотностях. Понимание их структуры и поведения нейтронного вещества, из которого они состоят, имеет первостепенное значение для физиков.
Ученые уже знают, что нейтроны, протоны и другие субатомные частицы, из которых состоит нейтронная звезда, располагаются по-разному в зависимости от того, в какой части звезды они находятся. В определенных местах они плотно упакованы, как молекулы воды в глыбе льда. В других случаях они текут и закручиваются подобно жидкости без трения. Но где именно происходит переход и как ведут себя различные фазы материи, физики не уверены.
На первый взгляд кажется, что сверхплотная звезда, рожденная из ядерного огненного шара, имеет очень мало общего с разреженным облаком ультрахолодных частиц. Но у них может быть, по крайней мере, одна общая полезная характеристика: они оба находятся ниже порогового значения, известного как температура Ферми, которая зависит от вещества, из которого состоит каждая система, и рассчитывается на его основе. Система, температура которой значительно выше этой температуры, будет в значительной степени вести себя в соответствии с законами классической физики; если она значительно ниже, ее поведением будет управлять квантовая механика. Некоторые ультрахолодные газы и материал нейтронных звезд могут иметь температуру значительно ниже их температуры Ферми и, следовательно, действовать сходным образом, говорит Кристофер Петик, физик-теоретик из Института Нильса Бора в Копенгагене и соавтор раннего обзора нейтронных звезд в Ежегодном обзоре ядерной науки за 1975 год.
Материя, температура которой ниже температуры Ферми, может подчиняться удивительно универсальным законам. Эта универсальность означает, что, хотя у нас нет легкого доступа к веществу нейтронных звезд с температурой в несколько миллионов градусов, мы могли бы узнать о некоторых его свойствах, экспериментируя с ультрахолодными газами, которые можно создавать и манипулировать ими в лабораторных вакуумных камерах на Земле, говорит астрофизик-теоретик Джеймс Латтимер из Университета Стоуни Брук в Нью-Йорке, автор краткого обзора науки о ядерной материи в Ежегодном обзоре науки о ядрах и элементарных частицах за 2012 год.
Особый интерес для Латтимера представляет теоретическое состояние, называемое унитарным газом. Газ является единым, когда сфера влияния каждой из его частиц становится бесконечной, а это означает, что они будут влиять друг на друга независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. В реальности это невозможно, но облака ультрахолодных атомов могут подобраться вплотную — как и вещество внутри нейтронных звезд. “Это похоже на унитарный газ, — говорит Латтимер, — но это не идеальный унитарный газ”.
Приземленный
Долгое время точная зависимость между давлением газа и его плотностью была просто слишком сложной для точного расчета. Но когда физики-экспериментаторы развили способность управлять облаками холодных атомов и настраивать их так, чтобы они были очень, очень близки к единому газу, это открыло новый путь к определению свойств такого газа: просто измеряйте его напрямую, вместо того чтобы пытаться разобраться с громоздкой математикой на компьютере.
Эти ультрахолодные атомные облака на самом деле ближе к единому газу, чем вещество нейтронной звезды, так что аналогия не идеальна. Но это достаточно близко, чтобы Латтимер смог провести измерения почти единого газа в облаках холодных атомов и применить их к нейтронному веществу, чтобы уточнить некоторые теоретические модели, описывающие внутреннее устройство нейтронных звезд. А эксперименты с холодными атомами могут помочь ученым разработать теории о том, какая физика может играть роль в некоторых необъяснимых явлениях нейтронных звезд.
В частности, Грабер и другие ученые надеются найти ключи к разгадке одной из самых больших загадок, называемой сбоями пульсара. Как правило, регулярное тиканье пульсарных “часов” настолько надежно, что его точность соперничает с точностью атомных часов. Но не всегда: иногда скорость вращения пульсара резко возрастает, вызывая сбой. Откуда берется этот дополнительный шарм, неясно. Ответ заключается в том, как эта материя перемещается внутри нейтронной звезды.
Как холодные газы, так и нейтронное вещество в некоторых частях нейтронной звезды являются сверхтекучими — частицы текут без какого-либо трения. Когда сверхтекучая жидкость вращается, образуются маленькие водовороты. Как именно эти вихри движутся и взаимодействуют друг с другом и другими структурами внутри вращающейся нейтронной звезды, до сих пор остается открытым вопросом. “Вероятно, это не такая красивая, правильная решетка вихрей”, — говорит Майкл Макнил Форбс, изучающий теоретическую физику в Университете штата Вашингтон в Пуллмане. “Это может быть какой-то клубок вихрей, который находится во всей звезде. Мы не знаем.”
Форбс и другие подозревают, что сбои, которые они наблюдают во вращении пульсаров, как-то связаны с тем, как эти вихри “прикрепляются” к структурам в звезде. Как правило, один вихрь свободно извивается вокруг жидкости. Но когда жидкость содержит жестко уплотненную область вещества, которая препятствует движению вихря, вихрь останавливается, а иногда даже обхватывает своими закрученными руками твердый объект и располагается так, что его центр находится прямо над ним.
Вихри, как правило, остаются закрепленными таким образом, но иногда они могут открепляться и мигрировать в сторону от объекта. Когда это происходит, поток жидкости оказывает крутящий момент на объект. Если сотни тысяч вихрей одновременно отделяются от различных структур нейтронной звезды, они могут внезапно ускорить вращение звезды. Форбс объясняет, как такое количество вихрей может раскрутиться одновременно: “Это как сыпать песок на кучу песка — на самом деле ничего не происходит, пока … ты получишь целую лавину”.
Но классическим компьютерам практически невозможно точно рассчитать все хитросплетения танца такого количества вихрей одновременно. Поэтому Forbes планирует объединиться с экспериментальными группами, которые смогут формировать эти вихри в своих облаках холодных атомов, и посмотреть, что произойдет. Идея состоит в том, чтобы использовать “эксперименты с холодным атомом в качестве аналоговых квантовых компьютеров для вычисления того, что мы не можем сделать никаким другим способом”, — говорит он.
Исследователи заняты изучением того, как другие ультрахолодные явления, которые они регулярно наблюдают в лаборатории, могут вдохновить на новые направления исследований поведения нейтронных звезд. Недавно Грабер и ее коллеги описали так много возможностей, что им потребовалось 125 страниц, чтобы опубликовать их все. В 2019 году десятки астрономов, физиков-ядерщиков и физиков ультрахолодной атомной энергетики со всего мира собрались, чтобы обсудить еще больше удивительных связей между их областями. Исследователи только начинают тестировать некоторые идеи, порожденные этими мозговыми штурмами.
Они также учатся большему у самих звезд, говорит Петик. “Это захватывающая область, потому что на данный момент поступает много наблюдений”.
С помощью более совершенных телескопов и новых методов изучения свойств непостижимого внутреннего пространства нейтронной звезды ученые могут надеяться выяснить, насколько далеко можно зайти в этой аналогии между холодными атомами и нейтронными звездами.
Katie McCormick is a physicist-turned-science-writer who lives in Sacramento, California. In her previous life, she spent a postdoctoral appointment experimenting with ultracold atoms like those in this story. This article originally appeared in Knowable Magazine, an independent journalistic endeavor from Annual Reviews. Sign up for the newsletter. / Кэти Маккормик — физик, ставшая научным писателем, которая живет в Сакраменто, штат Калифорния. В своей прошлой жизни она работала в аспирантуре, экспериментируя с ультрахолодными атомами, подобными тем, что описаны в этой истории. Первоначально эта статья появилась в журнале Knowable, независимом журналистском издании Annual Reviews. Подпишитесь на рассылку новостей.