Суперобъекты: Звезды размером с город

Москва
2016

ISBN 978-5-91671-131-8 
(«Библиотека ПостНауки»)

ISBN 978-5-91671-490-6

Все права защищены. Никакая часть этой книги не 
может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами, включая 
размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, а также запись в память ЭВМ, для частного или 
публичного использования без письменного разрешения 
владельца авторских прав.

© Попов С., 2016
© НП «Редакционно-издательский дом 
«ПостНаука», 2016
© ООО «Альпина нон-фикшн», 2016

УДК 524.354.6
ББК 22.66
 
П58

Главный редактор серии И.  Максутов
Научный редактор К.  Постнов
Редактор Р.  Пискотина

Попов С.

П58  
Суперобъекты: Звезды размером с город / Сергей Попов ; — М. : 
Альпина нон-фикшн, 2016. — 238 с. : ил. — (Серия «Библиотека 
ПостНауки»). 

ISBN 978-5-91671-490-6

Книга посвящена нейтронным звездам — единственным астрономическим объектам, исследования которых отмечены уже двумя 
Нобелевскими премиями по физике, и еще две — на подходе. Это 
говорит о том, что именно они среди всего многообразия небесных 
тел представляют наибольший интерес для современной физики. 
Вы узнаете о том, как астрономы наблюдают нейтронные звезды, 
и какими удивительными объектами они могут быть, а кроме того, 
у вас будет возможность познакомится с необычными физическими 
явлениями, связанными с этими суперобъектами.

УДК 524.354.6
ББК 22.66 

Содержание

Предисловие .............................................................................................. 7

Благодарности ......................................................................................... 11

I. 
Жизнь звезды ................................................................................ 13

Звездный свет .................................................................................. 15

Рождение и смерть звезд .............................................................. 17

Звезды и элементы ......................................................................... 21

Будущее звездной Вселенной ...................................................... 28

II. 
Многообразие нейтронных звезд .......................................... 31

Все хорошо в меру .......................................................................... 33

Предсказание и открытие нейтронных звезд ........................... 35

Радиопульсары и рентгеновские пульсары — старый 
зоопарк .............................................................................................. 38

Магнитары, Великолепная семерка и все-все-все — 
новый зоопарк нейтронных звезд ............................................... 41

Источники энергии нейтронных звезд ....................................... 44

Отпечатки «пальцев» сверхновых на нейтронных звездах .....48

III. Эволюция нейтронных звезд ................................................... 51

Вращение .......................................................................................... 53

Изменение магнитного поля ......................................................... 57

Тепловая эволюция ......................................................................... 62

Суперобъекты

IV. Недра нейтронных звезд ........................................................... 67

Экстремальное состояние вещества ........................................... 69

Из чего сделаны нейтронные звезды ........................................ 70

Вращение и состав ......................................................................... 73

Измерение температуры 
как способ изучения недр ............................................................. 75

Глитчи ................................................................................................. 78

Вопросы о массе и масса вопросов ............................................ 81

Как сейчас отвечают на главный вопрос?................................. 83

V. 
Свойства двойных звезд............................................................ 89

Главный параметр ........................................................................... 91

Про тройняшек ................................................................................. 92

Эволюция двойных ......................................................................... 94

Новые и сверхновые....................................................................... 96

Посмертные красоты двойных систем ..................................... 100

Размеры двойных .......................................................................... 101

Гиперскоростные звезды ............................................................. 106

Планеты двойных звезд ............................................................... 109

VI. Релятивистские двойные звезды ........................................ 111

Массивные двойные ..................................................................... 113

Измерение масс и радиусов в двойных системах ................. 117

Двойные с черными дырами ...................................................... 121

Ультрамощные рентгеновские источники ............................... 123

Вращение звезд и магнитары .................................................... 127

Двойные радиопульсары ............................................................. 129

VII. Гравитационные волны ............................................................ 137

Теория гравитации и геометрия ................................................ 139

Волны пространства-времени .................................................... 145

Слияния нейтронных звезд ......................................................... 148

Как ловят гравитационные волны ............................................. 150

Содержание 
5

VIII. Скорости компактных объектов ............................................ 155
Стремительные звезды ................................................................ 157
Взаимодействие и разгон ............................................................ 158
Измерения скоростей пульсаров ............................................... 160
Взрыв сверхновой и скорость .................................................... 163
Гравитационная ракета ................................................................ 166

IX. Одиночные компактные объекты ........................................ 169
Миллиард нейтронных звезд ...................................................... 171
Аккреция на одиночные компактные объекты ....................... 172
Гравитационное линзирование .................................................. 177

X. 
Магнитары ..................................................................................... 183
Изобретение магнитаров ............................................................. 185
Открытие магнитаров ................................................................... 187
Аномальные рентгеновские пульсары ..................................... 190
Сильные поля ................................................................................. 192
Картина запутывается .................................................................. 195

XI. Великое объединение нейтронных звезд ........................ 199
Про зайчиков и белочек .............................................................. 201
Такие разные нейтронные звезды ............................................ 203
Связующий элемент ...................................................................... 205
Секретные поля ............................................................................. 209

XII. Компактные объекты и фундаментальная физика ....... 213
Астрофизические лаборатории для бедных ............................ 215
Неземная гравитация ................................................................... 220
Сверхтекучие звезды .................................................................... 222
Сверхплотное вещество ............................................................... 225
Неземная электродинамика ........................................................ 226
Атмосферы нейтронных звезд .................................................... 228
Нейтрино из ада ............................................................................ 229
Грядущие открытия ....................................................................... 230

Послесловие ........................................................................................... 235

Посвящается моей семье

Предисловие

Рано или поздно наша цивилизация погибнет в результате катаклизма. Грядущие поколения заново пройдут путь развития, 
который у нас уже за плечами. Но новый цикл жизни на Земле 
не будет простым повторением. Наши далекие потомки будут находить артефакты наших времен, но не смогут полностью понять 
их смысл. На основе интерпретаций наших знаний будет возникать новая мифология. Будут мифы и о самых совершенных небесных объектах.
Такой миф может выглядеть так: «Когда Творец Вселенной — 
Летающий Макаронный Монстр — создавал весь мир, то, сделав 
небо и Землю и населив Землю первыми существами, он захотел 
создать настоящий шедевр и поместить его в небо, которое было 
еще пустым и темным. Тогда он взял комок первовещества и начал его сжимать. Чем больше он мял его — тем больше он ему 
нравился. Он мял и мял его, делая все плотнее и плотнее. Но вдруг 
комок в его руках сжался очень сильно. Вещество исчезло, и получилась дыра. И стал Летающий Макаронный Монстр печален. Подумав, он взял другой комок. Смял его не очень сильно и бросил 
в небо. Появилось Солнце. Оно ярко светило и вначале радовало 
Творца. Он сделал много таких шариков, раскидав их вокруг — 
появились звезды. Но потом Летающий Макаронный Монстр 
опять стал печален. Светящиеся шарики недолго радовали его. 
Тогда он взял одну из звезд и начал ее мять и уминать. Но, помня 
о своем первом опыте, он был очень аккуратным. Творец лепил и лепил, мял и мял. Однако все время следил, чтобы шарик 

Суперобъекты

не превратился в дыру. Наконец Летающий Макаронный Монстр 
остановился. То, что получилось, очень понравилось ему. Это был 
настоящий шедевр, достойный того, чтобы украсить Вселенную. 
Так появились нейтронные звезды».
Действительно, я полагаю, что нейтронные звезды — это самые интересные макроскопические объекты неживой природы. 
Мы сейчас описываем мир, пользуясь тремя фундаментальными 
теориями: Специальной теорией относительности, Общей теорией относительности и квантовой механикой. Есть известный 
рисунок — cGh-карта или «куб теорий», придуманный очень талантливым физиком Матвеем Бронштейном1. На нем есть три координатные оси, одна из которых соответствует росту важности 
квантовых эффектов, другая — приближению к скорости света, 
а третья — увеличению гравитационного поля. Начало координат 
соответствует классической механике. Двигаясь вдоль оси, соответствующей увеличению скорости, мы попадем в область, где 
надо использовать Специальную теорию относительности. Если 
мы теперь начнем добавлять гравитацию, то окажемся там, где 
необходима Общая теория относительности. В том случае, если 
мы выйдем из начала координат вдоль оси, обозначенной значком постоянной Планка, то станут важны квантовые эффекты. 
Теперь, если добавить гравитацию, то это приведет нас в Terra 
Incognita квантовой гравитации. Наконец, переместившись в самую дальнюю от начала координат вершину куба, — столкнемся 
с процессами, требующими для своего описания так называемой «Теории всего», которая объединит все известные взаимодействия.
Если представить на этом рисунке место нейтронных звезд, 
то среди всех непосредственно наблюдаемых макроскопических 
объектов они окажутся самыми удаленными от начала координат. Для адекватного описания нейтронных звезд необходимы все 
три фундаментальные теории. Конечно, недра черных дыр должны 
быть еще экзотичнее, но их мы не можем наблюдать. Поэтому среди 

1 К сожалению, Бронштейн не дожил до открытия нейтронных звезд. Он 
стал жертвой сталинских репрессий, его расстреляли в 1938 году. Ему 
было чуть больше 30 лет. Примерно через 30 лет были открыты радиопульсары. — Здесь и далее примечания автора. 

Предисловие 
9

астрономических объектов, которые мы можем изучать, наиболее 
любопытная комбинация сложных физических процессов встречается у нейтронных звезд. Они и будут основными героями нашей 
книги. Разумеется, не забудем мы и про их «младших братьев» — 
белых карликов и про «старших сестер» — черные дыры.

Ньютоновская 
гравитация

Классическая
механика

Квантовая
механика

Нерелятивистская
квантовая гравитация

Квантовая теория поля
1/с

G

ħ

Общая теория
относительности

Теория 
всего

Специальная теория
относительности

Куб теорий, придуманный Матвеем Бронштейном. Чем дальше мы отходим от начала 
координат, двигаясь сразу по трем координатам, — тем более разнообразной становится физика.

Как астрофизика меня в первую очередь интересует то, что 
уже наблюдается или что можно наблюдать. Но за всеми этими 
данными стоит физика — наше понимание того, как устроена природа. По мере сил я попробую рассказать, что скрывается за скупыми словами «астрономы увидели», поэтому книга 
не везде будет легким чтением. Путь к звездам, а к нейтронным 
особенно, лежит через тернии. Тем не менее никаких специальных знаний, выходящих за рамки школьного курса или обычной эрудиции современного человека, читателю не потребуется. 
Для тех, у кого возникнет желание углубить и расширить свои 
знания о нейтронных звездах и связанных с ними феноменах, 
по ходу изложения будут приводиться ссылки на другие книги или 
интернет-ресурсы. Также о некоторых онлайн-ресурсах и книгах 
будет сказано в послесловии.

Благодарности

Книга основана на цикле коротких видеолекций, записанных 
«ПостНаукой». Без участия этого замечательного проекта она 
не появилась бы.
Я признателен Антону Бирюкову, Сергею Блинникову, Дмитрию Вибе, Андрею Игошеву, Владиславу Кобычеву, Игорю Огневу, Максиму Пширкову и Валерию Сулейманову, которые 
прочли разные варианты рукописи и сделали полезные замечания, которые я постарался учесть. Огромное спасибо Валентину 
Пальшину и Дмитрию Фредериксу, предоставивших некоторые 
из иллюстраций, связанных с экспериментом «Конус».
Множество важных уточнений сделал научный редактор 
книги Константин Постнов. Все оставшиеся в книге неточности — на моей совести.
Благодарю слушателей моих лекций за хорошие вопросы, 
стимулирующие рассказывать больше и лучше. А также коллег, 
в первую очередь — соавторов моих научных работ, много способствовавших моему просветлению в вопросе изучения нейтронных звезд.
Особая благодарность фонду «Династия», который не только 
на протяжении нескольких лет поддерживал мою научную работу 
и многократно приглашал меня для участия в научно-популярных 
мероприятиях, но и в целом воссоздал в России атмосферу интереса к научно-популярной литературе.
Наконец, я хотел бы выразить бесконечную признательность 
моей жене Сусанне за все, что она для меня делает.

I

Жизнь звезды