Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

В структуре нейтронной звезды выделяют кору (внутреннюю и внешнюю) и ядро (внутреннее и внешнее). Внешняя кора имеет толщину порядка нескольких сотен метров и состоит в основном из ионов элементов группы железа и вырожденных электронов. Кроме самых наружных слоев, внешняя кора твердая, поскольку ионы благодаря сильному электростатическому взаимодействию между заряженными частицами формируют так называемую кулоновскую решетку. Во внутренней коре (толщиной около километра), где возможно существование сильно обогащенных нейтронами ядер элементов, начинается процесс формирования так называемых нейтронных капель. При столь высокой плотности свободные (не входящие в ядра) нейтроны оказываются устойчивыми. Доля свободных нейтронов растет с увеличением плотности вглубь коры. Нейтроны во внутренней коре могут находиться в сверхтекучем состоянии.

Свойства внутреннего ядра нейтронных звезд известны крайне плохо. Существует ряд гипотез о поведении вещества при сверхвысокой плотности, например такого как кварковое вещество.

Внешнее ядро имеет размер несколько километров. Его свойства относительно хорошо понятны. Плотность составляет от 0,5 до 2 ядерных плотностей (ядерная плотность – около 3 × 10 14 г/см³). Вещество в основном состоит из нейтронов, протонов, электронов и мюонов. Протоны там могут находиться в сверхтекучем (сверхпроводящем) состоянии.

Свойства вещества во внутреннем ядре известны крайне плохо. Плотность там в несколько раз превосходит ядерную. Основные обсуждаемые гипотезы включают в себя появление гиперонов, образование пионного или каонного конденсата, появление кварковой материи.

Формально черные дыры пока еще остаются гипотетическими объектами. Однако в настоящее время получено множество научных данных по самым разным астрономическим источникам (в первую очередь речь идет о массивных объектах в центрах галактик, а также об аккрецирующих компактных объектах в двойных системах), которые объясняются только в рамках этой модели. Поэтому с астрофизической точки зрения можно считать, что черные дыры существуют, хотя ряд вопросов о деталях их физических свойств остается открытым.

Массы известных кандидатов в черные дыры лежат в широком диапазоне: от 3–5 масс Солнца (объекты в тесных двойных системах) до десятков миллиардов масс Солнца (сверхмассивные объекты в галактических центрах).

Большое количество самых разнообразных данных (от радио- до гамма-диапазона) по этим объектам недавно было дополнено обнаружением гравитационно-волновых всплесков от слияний черных дыр звездных масс.

Фундаментальные свойства черных дыр делают их самыми загадочными объектами в природе. Черную дыру можно определить как область, которую из-за сильного искривления пространства-времени не может покинуть никакой сигнал. Границу черной дыры называют горизонтом. Упрощая, можно сказать, что это поверхность невозврата, даже световые лучи, попав под горизонт, не могут выйти наружу. Такое понимание черных дыр возникло около 100 лет назад после появления общей теории относительности.

Общая теория относительности создана Альбертом Эйнштейном в 1915 г. Математические аспекты теории были одновременно и независимо разработаны Давидом Гильбертом.

В XVIII в. Джон Мичелл (John Michell) и Пьер-Симон Лаплас обсуждали возможность существования тел, на поверхности которых вторая космическая скорость начинает превосходить скорость света, и поэтому они «будут черными». Однако такая наивная концепция далека от современного понимания природы черных дыр, которое начало формироваться благодаря работам Карла Шварцшильда (Karl Schwarzschild) непосредственно после создания общей теории относительности. Затем развитие представлений о черных дырах продолжилось уже в конце 1950-х – начале 1960-х гг., в первую очередь после работы Давида Финкельштейна (David Finkelstein), в которой была рассмотрена природа горизонта событий. Открытие квазаров, нейтронных звезд, а затем и первых кандидатов в черные дыры придало дополнительную мотивацию теоретическим работам.

Термин «черная дыра», по всей видимости, первой использовала Энн Эвинг (Ann Ewing) еще в 1964 г., через несколько лет это словосочетание стало популярным благодаря Джону Уилеру (John Wheeler), а в начале 1970-х гг. термин стал общепринятым.