Лента TH Статьи о науке и технике


Обнаружена массивнейшая нейтронная звезда

∴ 149

Американские астрономы обнаружили нейтронную звезду — массивнейшую из известных. Открытие будет иметь заметные последствия для широкого спектра областей физики и астрофизики.  Засекли космическую диковину при помощи телескопа Green Bank — крупнейшего радиотелескопа в мире.

Комментирует Пол Деморест (Paul Demorest) из Национальной Радиоастрономической Обсерватории (National Radio Astronomy Observatory, NRAO): «Новооткрытая нейтронная звезда в два раза массивнее Солнца. Это удивительно, — такая большая масса означает, что сразу несколько теоретических моделей внутренней структуры нейтронных звёзд можно смело сбрасывать со счёта. Проведённые измерения массы многое добавляют к нашему понимаю вещества при экстремально высоких плотностях. Отсюда же следует множество выводов для ядерной физики».

Нейтронные звёзды — это сверхплотные «останки» массивных светил, которые взорвались как сверхновые. Вся масса таких звёзд упакована в сферу диаметром с небольшой город, громадное тяготение слепило их протоны и электроны воедино — в нейтроны. Нейтронная звезда может быть в несколько раз плотнее атомного ядра, детское ведёрко её вещества будет весить больше миллиарда тонн. Такая громадная плотность делает нейтронные звёзды идеальными природными лабораториями для изучения наиболее плотных и экзотичных состояний материи, известных физике.

Учёные использовали эффекты Общей Теории Относительности Эйнштейна для измерения массы нейтронной звезды и её звезды-спутника — белого карлика. Нейтронная звезда — пульсар, излучающий, подобно маяку, лучи радиоволн, которые заметают космос вокруг вместе с вращением звезды. Данный пульсар, названный PSR J1614-2230, делает 317 оборотов в секунду, а его спутник имеет период обращения около девяти дней. Вращение этой звёздной пары, удалённой от нас на 3000 световых лет, видимо с Земли почти ребром. Такая ориентация и позволяет провести измерения массы.

Когда белый карлик проходит перед пульсаром, радиоволны последнего проходят очень близко к звезде-спутнику. Такое близкое прохождение задерживает их прибытие на Землю из-за искажения пространства-времени гравитацией белого карлика. Эта задержка носит название эффекта Шапиро. Она-то и позволила учёным точно измерить массы обеих звёзд.

«Нам очень повезло с этой системой. Быстро вращающийся пульсар даёт сигнал, пересекающий орбиту, а сама орбита видима почти точно с ребра. Вдобавок, белый карлик редкостно массивен для звезды своего типа. Эта уникальная комбинация намного усиливает эффект Шапиро и упрощает измерения,» — говорит Скотт Рэнсом (Scott Ransom), также из NRAO.

Астрономы использовали новейшее цифровое устройство, названное Green Bank Ultimate Pulsar Processing Instrument (GUPPI), чтобы проследить один полный оборот двойной системы. GUPPI увеличил точность временных измерений в несколько раз.

Первичные оценки предполагали массу нейтронной звезды в районе полутора масс Солнца. Вместо этого наблюдения показали, что пульсар вдвое массивнее нашего светила! По словам учёных, такая большая масса меняет их представления о строении нейтронной звезды. Некоторые теоретические модели постулировали, что, кроме нейтронов, такие звёзды содержат некоторые экзотические субатомные частицы, а также конденсат каонов.

«Наши результаты заставляют отбросить эти идеи», — говорит Рэнсом.

Деморест и Рэнсом, вместе с Тимом Пеннуччи (Tim Pennucci) из Университета Виргинии (University of Virginia), Мэллори Робертс (Mallory Roberts) из корпорации Eureka Scientific и Джейсоном Хесселсом (Jason Hessels) из Института Радиоастрономии Нидерландов и Университета Амстердама (Netherlands Institute for Radio Astronomy and the University of Amsterdam) представили свои результаты в октябрьском издании научного журнала Nature.

Эти результаты имеют и дальнейшие приложения, очерченные в парной статье, подписанной в печать в Astrophysical Journal Letters. «Это измерение позволяет говорить, что если кварки и представлены в каком-либо виде в коре (ядре) нейтронной звезды, «свободными» они быть не могут, а скорее уж сильно взаимодействуют друг с другом, как в обычном атомном ядре», — говорит Ферьял Озел (Feryal Ozel) из Университета Аризоны (Universiry of Arizona), ведущий автор второй статьи.

Остаётся несколько жизнеспособных гипотез внутренней структуры нейтронных звёзд, однако новые данные устанавливают пределы на них, равно и на максимально возможную плотность холодной материи.

Научное влияние новых наблюдений также распространяется на другие области, помимо описания вещества при высоких плотностях. Наиболее вероятное объяснение одного из типов гамма-всплесков — всплесков малой длительности — находит их причину в столкновениях нейтронных звёзд. Наличие столь массивных нейтронных звёзд, как PSR J1614-2230, делает этот механизм действительно жизнеспособным. Ожидается, что подобные столкновения порождают также гравитационные волны, которые являются объектом научного поиска во множестве обсерваторий США и Европы. Обнаружение и исследование этих волн, по словам учёных, принесёт дополнительную ценную информацию о строении нейтронных звёзд.

«Пульсары в целом дают нам великолепную возможность изучать экзотическую физику, и найденная звёздная система — фантастическая лаборатория, откуда к нам поступает ценная информация по широкому спектру приложений, — подытоживает Рэнсом. И добавляет: — Это поразительно, что всего лишь единственное число — масса этой нейтронной звезды — может сказать нам так много о столь многих аспектах физики и астрономии».

На рисунке: радиолуч пульсара замедляется в гравитационном поле белого карлика.