About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
Примерно раз в сто лет у огромной звезды где-то в глубинах нашей Галактики заканчивается топливо. Это происходит после того, как в течение миллионов лет из-за высоких температур и давления водород в звезде преобразуется в более тяжёлые элементы, такие как гелий, углерод и азот — вплоть до железа. Больше не способная выделять достаточно энергии на поддержание своей структуры, она сжимается под действием гравитационного давления, и происходит вспышка сверхновой. Звезда выбрасывает бо́льшую часть своего содержимого в космос, усеивая Галактику тяжёлыми элементами. Гораздо больше поражает то, что остаётся после этого чудовищного взрыва: шар материи такой плотности, что атомные электроны сходят со своих квантовых орбит и попадают в глубины атомного ядра. Смерть старой звезды — это рождение нейтронной звезды, одного из самых плотных небесных тел во Вселенной,
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
а также лаборатории загадочных процессов физики сверхплотного вещества. Но что представляет собой нейтронная звезда? Представьте небольшой шар, в котором протоны и электроны сливаются в нейтроны и образуют жидкость без трения, которая называется сверхжидкостью и которая окружена твёрдой оболочкой. Этот материал невероятно плотный — эквивалент массы полностью загруженного грузового контейнеровоза, сжатого до толщины волоса человека, или массы горы Эверест размером с кубик сахара. Внутри оболочки нейтронная сверхжидкость образует разные фазы, которые физики называют «ядерные макароны»,
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
при этом они как бы пластины для лазаньи, скрученные в макаронины в форме спагетти. Массивные предшественники нейтронных звёзд зачастую вращаются. При их разрушении звёзды, которые обычно достигают миллионов километров в ширину, сжимаются до нейтронных звёзд диаметром около 25 километров. Но собственный момент импульса звезды сохраняется. По той же причине, по которой вращение фигуристов ускоряется, когда они прижимают руки к телу, нейтронная звезда вращается намного быстрее исходной звезды. Рекорд самой быстрой нейтронной звезды — 700 оборотов в секунду, что означает, что точка на её поверхности вращается в пространстве быстрее одной пятой скорости света. Нейтронные звёзды обладают самым сильным магнитным полем среди небесных тел. Эта магнитная концентрация образует вихри, которые испускают лучи от магнитных полюсов. Поскольку полюса не всегда совпадают с осью вращения звезды, лучи вращаются как сигнальные прожекторы на маяках, если наблюдать с Земли, может показаться, что они мерцают. Мы называем их пульсары. Обнаружив один из таких неуловимых мигающих сигналов, астрофизик Джоселин Белл в 1967 году фактически косвенно стала первооткрывательницей нейтронных звёзд. Стремительное вращение нейтронной звезды замедляется в течение миллиардов лет,
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
за это время она отдаёт энергию в форме электромагнитных и гравитационных волн. Но не все нейтронные звёзды исчезают незаметно. Например, мы наблюдали системы двойных звёзд, в которых нейтронная звезда обращается по орбите другой звезды. Нейтронная звезда может расти за счёт более лёгкой парной звезды, захватывая её менее связанную атмосферу,
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
прежде чем в итоге превратиться в чёрную дыру. Хотя многие звёзды существуют в виде двойных систем, только малый процент из них превращается в двойные системы из нейтронных звёзд, в которых две нейтронные звезды словно кружатся в вальсе и обречены на слияние. Столкнувшись, они излучают гравитационные волны сквозь пространство и время,
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
как волны от камня, брошенного в спокойную гладь озера. В рамках общей теории относительности Эйнштейна это явление предсказали ещё 100 лет назад, но оно так и не было доказано вплоть до 2017 года, когда в гравитационно-волновых обсерваториях LIGO и VIRGO провели наблюдения над столкновением нейтронной звезды. Другие телескопы зафиксировали вспышку гамма-излучения и мерцание света, и позже — рентгеновские лучи и радиосигналы от того же воздействия. Это стало самым изученным событием в истории современной астрономии. В результате собран кладезь бесценных данных, на основании которых удалось рассчитать силу гравитации, подтвердить важные теории в астрофизике,
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
найти доказательства происхождения тяжёлых элементов, таких как золото и платина. Нейтронные звёзды пока не раскрыли все свои секреты. LIGO и VIRGO постоянно совершенствуются в целях обнаружения новых столкновений. Это поможет нам узнать, что же ещё впечатляющая гибель этих сверхплотных, пульсирующих, вращающихся небесных тел