14. Ядро размером с город

Джоселин Белл, аспирантка Кембриджа, летом 1967 года каждый день просматривала десятки метров бумажной ленты. Ленту писал радиотелескоп, который она два года помогала строить: поле больше двух футбольных, уставленное проволочными антеннами на столбах. Однажды она заметила небольшой неряшливый след, не похожий ни на мерцание далёких источников, ни на земные помехи. След возвращался всякий раз, когда над антеннами проходил тот же участок неба, значит, его источник сидел среди звёзд. В конце ноября быстрая запись разложила след на импульсы через каждые 1,337 секунды, с точностью хороших часов.

Группа в шутку назвала источник LGM-1, «маленькие зелёные человечки», и всерьёз проверила, не искусственный ли это сигнал. Перед Рождеством Белл нашла второй такой же источник в другой части неба, и версия с чужим передатчиком отпала. Новые объекты назвали пульсарами, хотя они не пульсируют. Томас Голд и Франко Пачини связали сигналы с вращающейся нейтронной звездой: из её магнитных полюсов бьёт узкий луч, и каждый раз, когда он, как луч маяка, чиркает по Земле, приходит импульс.

Нейтронная звезда — лишь один из трёх видов звёздных останков. Погасшей звезде нужна опора, которой не страшен холод. Солнце и почти все звёзды находят её быстро и становятся белыми карликами.

Самый известный белый карлик кружит возле Сириуса, самой яркой звезды ночного неба. Его вычислили по тому, как покачивается Сириус, а в 1862 году разглядели в телескоп. Через полвека по спектру поняли, что он горячий, но светит тускло, значит, он крошечный: масса Солнца в шаре меньше Земли. Чайная ложка такого вещества весит как грузовик. Эддингтон, главный астрофизик эпохи, писал, что к выводу о такой плотности обычно мысленно добавляли «что абсурдно». Сам он в эту плотность поверил, но не понимал, на чём держится шар, который ничего не жжёт и только остывает миллиарды лет.

Ответ в 1926 году нашёл Ральф Фаулер, едва физики научились применять новые квантовые правила сразу к несметному множеству электронов. Одно из этих правил, запрет Паули, говорит, что два электрона не могут оказаться в одном месте с одной и той же скоростью. Нейтроны подчиняются ему так же.

Вообрази зал, где каждое кресло рассчитано на одного. Пока народу мало, все сидят внизу, у сцены, то есть движутся медленно. Когда зал набит, новые зрители садятся только выше, и чем больше народу, тем выше приходится лезть. Для электронов «выше» значит «быстрее», а быстрые электроны распирают звезду изнутри. Это давление тесноты не зависит от температуры и не пропадает, когда звезда остывает.

Летом 1930 года девятнадцатилетний Субрахманьян Чандрасекар плыл из Индии учиться в Англию и по дороге пересчитал белый карлик заново. Он учёл, что в очень плотном карлике электроны разгоняются почти до скорости света. Быстрее им нельзя, поэтому давление при сжатии растёт всё медленнее, и тяжесть его обгоняет. Выходит потолок: звезду тяжелее примерно 1,4 массы Солнца теснота электронов не держит. У одного электрона никакой предельной массы нет, она появляется только у бессчётного множества электронов, которые стиснула тяжесть звезды. Через пять лет Эддингтон высмеял этот результат со сцены Королевского астрономического общества, а Нобелевскую премию Чандрасекар получил только через полвека с лишним.

У звёзд намного тяжелее Солнца выгоревшее ядро перевешивает этот предел. Оно рушится за доли секунды, электроны вдавливаются в протоны и превращают их в нейтроны, а внешние слои звезды разлетаются взрывом, который называют сверхновой. На месте ядра остаётся шар тяжелее Солнца, который целиком поместился бы внутри МКАД. Чайная ложка его вещества весит около миллиарда тонн, вдвое больше всего человечества, и примерно столько же весила бы ложка, зачерпнутая из атомного ядра. Но обычное ядро разваливается, если набрать в нём больше нескольких сотен частиц. Скреплять нейтронную звезду ядерной силе не нужно, её стягивает тяжесть: получается одно ядро размером с город, с корой из ядер железа снаружи и небольшой примесью протонов и электронов в глубине. Что лежит в самом центре, нейтронная жидкость или свободные кварки, пока не знает никто.

Сжимаясь, ядро звезды раскручивается: вращению некуда деться, и оно собирается в тесный шар. Новорождённая нейтронная звезда делает десятки оборотов в секунду. Вальтер Бааде и Фриц Цвикки придумали такую звезду на бумаге в 1934 году, через два года после открытия нейтрона, за треть века до находки Белл.

Крабовидная туманность стоит на месте «звезды-гостьи», которую китайские астрономы записали в 1054 году. Она до сих пор разлетается облаком из того, чем была звезда, и в её середине тридцать раз в секунду тикает ядро размером с город. Мёртвые звёзды отдают вещество обратно: сверхновые и ветры умирающих звёзд засевают пространство углеродом, кислородом, кремнием, железом и пылью, а слияния нейтронных звёзд в парах, по расчётам, ещё и золотом. Этот мусор смешается с межзвёздным газом, и когда-нибудь такое облако снова начнёт падать само на себя.

Дерево здесь замыкается петлёй вниз. Белый карлик держится тем же запретом, из-за которого электроны в медном проводе носятся быстрее любой пули даже на морозе. А нейтронная звезда снова оказывается атомным ядром, только склеенным тяжестью. Вверх отсюда ведёт одна ветка. У тесноты нейтронов тоже есть потолок, как у тесноты электронов, только выше, и самым тяжёлым звёздам не хватает и её. Тогда падение уже ничто не останавливает.