В других моделях предполагается, что нейтроны не сохраняются в прежнем виде, а распадаются на составляющие их кварки, в результате чего ядро превращается в “суп”, состоящий из свободных кварков. Это модель кваркового ядра. Другая гипотеза состоит в том, что кварки, освобожденные от связей внутри нейтронов, перегруппировываются и образуют другие, более экзотические конфигурации, например гипероны. Это частицы, в которых одна из трех кварковых частиц, образующих нейтрон, меняется на так называемый странный кварк (нормальные протоны и нейтроны образуются из гораздо более обычных, так называемых верхних и нижних кварков). Еще одно предположение состоит в том, что большое давление приводит к образованию каонов (частиц, состоящих из двух кварков, один из которых странный) или, может быть, еще чего-то совершенно иного. Существующие теории, описывающие поведение кварков и ядер, такие как квантовая хромодинамика, полезны, но, к сожалению, распространить ее аппарат на довольно холодные и сверхплотные среды настолько сложно, что у нас пока нет методологии, позволяющей применить этот аппарат для получения ответов на наши вопросы.

Чтобы решить эту головоломку, ученые обратились к так называемому уравнению состояния для внутреннего ядра, описывающему соотношение между плотностью энергии и давлением вещества во внутреннем ядре, откуда получается соотношение между массой и радиусом нейтронной звезды. Существует множество таких соотношений, и построено большое количество моделей того, что может происходить во внутреннем ядре в зависимости от массы и радиуса.

Разные виды вещества реагируют на гравитационное сжатие по-разному. Представим, что внутреннее ядро – шарик. Он может быть либо плотным, твердым, как бейсбольный мяч, который трудно сжать, либо мягким, податливым, как надувной. Эти два мяча ведут себя по-разному, поскольку сделаны из разного материала. Из двух нейтронных звезд одинаковой массы в большей из них, имеющей больший радиус, будет более плотное ядро: поскольку сама звезда больше, гравитация будет сжимать вещество сильнее, поэтому ядро должно суметь противостоять большему давлению, иначе звезда сколлапсирует в черную дыру. Ядро, похожее на бейсбольный мяч, может выстоять. А вот если у звезды с той же массой ядро менее плотное или “мягкое” и легко сжимается под действием гравитации, она должна быть меньшего размера, чтобы суметь противодействовать гравитационному сжатию.

Некоторые ученые думают, что нейтронные звезды с твердым ядром (которое описывается “жестким” уравнением состояния), скорее всего, содержат недеформированные нейтроны, только очень плотно упакованные. Звезды меньших размеров с более рыхлым ядром (описываемые “мягким” уравнением состояния) могут содержать свободные кварки в различных конфигурациях, не в последнюю очередь из-за того, что процессы образования гиперонов и каонов из свободных кварков в разных конфигурациях также ведут к понижению давления. Но этот вопрос в большой степени является дискуссионным.

Чтобы узнать, из чего состоит ядро, ученые должны рассчитать, насколько массивной может быть нейтронная звезда данного радиуса. Прежде всего нужно измерить радиус и массу нейтронной звезды по результатам наблюдений, затем, исходя из этих значений, получить уравнение состояния и в процессе расчетов отбросить модели, неправильно описывающие материю, из которой может состоять ядро.

Самые сильные ограничения на модель определяются измерением больших масс – и чем больше масса звезды, тем лучше. Для каждого уравнения состояния есть максимальная масса, допускаемая теорией, и она должна соответствовать наблюдениям. Самая тяжелая нейтронная звезда, известная к настоящему моменту, – это PSR J0740 + 6620, и она имеет массу, равную 2,14 солнечной[21]. Она была обнаружена в 2012 году с помощью телескопа Green Bank. До этого рекорд принадлежал звезде PSR J1614-2230 с массой, равной 1,97 солнечной. Еще один пульсар с массой, равной двум массам Солнца, был найден в 2013 году. Эти открытия заставили исключить теории, в которых использовалось мягкое уравнение состояния для особенно рыхлых нейтронных звезд, поскольку они предсказывали, что звезды с массой около двух масс Солнца должны сколлапсировать в черную дыру. Среди жертв этого ограничения оказались некоторые модели, в которых предполагалось, что внутреннее ядро состоит из каонов или гиперонов. Ученые заговорили о “загадке гиперонов”, задаваясь вопросом, следует ли навсегда распрощаться с идеей присутствия гиперонов во внутренних ядрах. В более новых моделях, где иногда предполагается наличие фазовых переходов из одного состояния вещества в другое, все-таки считается, что гипероны существуют¹².

Когда LIGO и Virgo обнаружили слияние нейтронных звезд, ученые подсчитали, что верхний предел массы нейтронной звезды после слияния до момента, когда она должна была превратиться в черную дыру (что, вероятнее всего, с ней и случилось), составлял 2,17 солнечной массы. Масса нынешнего громадного чудовища – PSR J0740 + 6620 – уже очень близка к этому значению. Одна из проблем заключается в том, что наименьшая наблюдаемая масса звездной черной дыры гораздо больше – около пяти масс Солнца. Именно поэтому некоторые ученые полагают, что нейтронная звезда, чья масса выходит за верхний предел, могла сначала сколлапсировать в гипотетическую кварковую звезду с промежуточной массой (слово “гипотетическая” в названии говорит о том, что мы ни одной такой звезды еще не обнаружили¹³).

Для ученых все эти вещи на сегодняшний день представляют собой довольно сложный пазл, который пока не удается сложить, ведь ни одна из существующих моделей не говорит нам уверенно о том, что находится в центре нейтронной звезды. Для получения новых, более точных значений масс и радиусов звезд ученые продолжают накапливать данные измерений, проводимых с помощью телескопов, ускорителей частиц, детекторов гравитационных волн и даже специального прибора, установленного на борту Международной космической станции. С каждой новой серией данных они получают еще один кусочек пазла, заполняя брешь в наших знаниях.

Иногда к научному открытию приводит цепь совершенно случайных совпадений, например, когда ваша фамилия начинается с той же буквы, что и фамилия нобелевского лауреата – и поэтому университетский почтовый ящик у вас оказывается общим. Сегодня, в наш век электронной почты, трудно представить, что раньше в таких местах, как Институт Нильса Бора при Копенгагенском университете, существовали почтовые ящики, подписанные буквами от A до Z.

В 1970 году Гордон Бейм работал в Копенгагенском университете. Только год назад они с коллегами написали первую статью по астрофизике, в которой утверждалось, что глитч, наблюдаемый в периоде вращения пульсара Вела, свидетельствует о существовании сверхтекучей жидкости внутри нейтронных звезд. И вот теперь он копался в почтовом ящике, помеченном буквой В, проверяя, нет ли для него писем, как вдруг наткнулся на открытку, адресованную Хансу Бете. Всего три года назад, в 1967-м, Бете получил Нобелевскую премию за открытие источников энергии звезд. “Я перевернул открытку и прочитал то, что на ней написано”, – рассказал Бейм. Она была из журнала Astronomy and Astrophysics; редакция благодарила Бете за присланную статью о нейтронных звездах. Прочитав открытку, Бейм узнал две вещи: “Первая – что Бете занимается нейтронными звездами. А вторая – что он приезжает в Копенгаген”. Воодушевленный новостью о том, что вскоре ему удастся встретиться с нобелевским лауреатом, Бейм со своим другом и коллегой Крисом Петиком умудрился раздобыть копию статьи Бете, надеясь разобраться в ней как следует к приезду автора и порадовать его совместным обсуждением. При чтении они обнаружили в статье ошибки, попытались улучшить модель, но в конце концов пришли к выводу, что теория Бете неправильна.

Когда нобелевский лауреат прибыл, друзья подошли к нему и сообщили, что выводы в его статье, похоже, неверны. Бейм вспоминал: “И тогда он сказал со своим чудесным немецким акцентом: «Мы должны решить эту проблему». И мы приступили, сидя у ног великого гуру в области ядерной физики и внимая ему. И этот опыт реально изменил нашу научную судьбу”. С того момента для Бейма нейтронные звезды и ядерная физика стали неразделимы, и он решил разобраться в том, что в действительности происходит в этих маленьких, плотных, быстро вращающихся в далеком космосе объектах. Он сосредоточился на их внутреннем ядре.