Типичная нейтронная звезда имеет радиус всего 11 километров, сообщают ученые

Москва, 14:18, 10 Мар 2020, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Ученые теперь определяют размер этих экзотических объектов более точно, чем когда-либо прежде.

Международная исследовательская группа во главе с сотрудниками Института гравитационной физики им. Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) получила новые измерения размеров нейтронных звезд.

Для этого астрофизики объединили общее описание из первых принципов неизвестного поведения вещества нейтронной звезды с наблюдениями слияния двойной нейтронной звезды GW170817. Их результаты, появившиеся сегодня в «Nature Astronomy», более чем в два раза более строгие, чем предыдущие пределы, и показывают, что типичная нейтронная звезда имеет радиус, близкий к 11 километрам.

Также обнаружилось, что нейтронные звезды, сливающиеся с черными дырами, в большинстве случаев могут «проглатываться» целиком, если только черная дыра не мала и не вращается быстро. Это означает, что, хотя такие слияния могут наблюдаться как источники гравитационных волн, они будут невидимы в электромагнитном спектре.

«Двоичные слияния нейтронных звезд — золотой рудник информации!» — говорит Коллин Капано. «Нейтронные звезды содержат самую плотную материю в наблюдаемой Вселенной. На самом деле, они настолько плотные и компактные, что можно представить всю звезду как единое атомное ядро, масштабированное до размеров города. Измеряя свойства этих объектов, мы узнаем о фундаментальной физике, которая управляет материей на субатомном уровне».

«Мы находим, что типичная нейтронная звезда, которая примерно в 1,4 раза тяжелее нашего Солнца, имеет радиус около 11 километров», — говорит Бадри Кришнан, который возглавляет исследовательскую группу. «Наши результаты ограничивают радиус, вероятно, между 10,4 и 11,9 километрами. Это в два раза более точно, чем предыдущие результаты».

Слияние двоичных нейтронных звезд как сокровищница для астрофизиков

Нейтронные звезды — это компактные, чрезвычайно плотные остатки взрывов сверхновых. Как ведет себя богатая нейтронами чрезвычайно плотная материя, неизвестно, и невозможно создать такие условия ни в одной лаборатории на Земле. Физики предложили различные модели (уравнения состояния), но неизвестно, какие (если таковые имеются) из этих моделей правильно описывают вещество нейтронной звезды в природе.

Слияния двойных нейтронных звезд, таких как GW170817, которое наблюдалось в гравитационных волнах и во всем электромагнитном спектре в августе 2017 года, являются наиболее захватывающими астрофизическими событиями, когда речь заходит о получении дополнительной информации о веществе в экстремальных условиях и лежащей в основе ядерной физике. Исходя из этого, ученые в свою очередь могут определить физические свойства нейтронных звезд, такие как их радиус и масса.

Исследовательская группа использовала модель, основанную на первоосновном описании взаимодействия субатомных частиц при высоких плотностях, обнаруженных внутри нейтронных звезд. Примечательно, что, как показывает команда, теоретические расчеты в масштабах длины менее триллионной миллиметра можно сравнить с наблюдениями астрофизического объекта на расстоянии более ста миллионов световых лет.

«Это немного ошеломляет, — говорит Капано. «GW170817 был вызван столкновением двух объектов размером с город 120 миллионов лет назад, когда здесь, на Земле, ходили динозавры. Это произошло в галактике в миллиарде триллионов километров. Из этого мы получили представление о субатомной физике».

Насколько велика нейтронная звезда?

Описание первых принципов, используемое исследователями, предсказывает целое семейство возможных уравнений состояния для нейтронных звезд, которые непосредственно получены из ядерной физики. Из этого семейства авторы выбрали те члены, которые с наибольшей вероятностью могут объяснить различные астрофизические наблюдения. Они выбрали модели, которые согласуются с наблюдениями гравитационных волн GW170817 из открытых данных LIGO и Virgo, которые производят недолговечную сверхмассивную нейтронную звезду в результате слияния, и которые согласуются с известными ограничениями на максимальную массу нейтронной звезды из электромагнитных аналогичных наблюдений GW170817.

Это позволило ученым не только получить достоверную информацию о физике плотной материи, но и получить самые строгие ограничения на размер нейтронных звезд на сегодняшний день.

«Эти результаты впечатляют не только потому, что мы смогли значительно улучшить измерения радиусов нейтронных звезд, но и потому, что они дают нам представление о судьбе нейтронных звезд в сливающихся двойных системах», — говорит Стефани Браун, соавтор публикации.

Новые результаты означают, что с таким событием, как GW170817, детекторы LIGO и Virgo с проектной чувствительностью смогут легко от одних только гравитационных волн определить, слились ли две нейтронные звезды или две черные дыры. Для GW170817 наблюдения в электромагнитном спектре имели решающее значение для проведения этого различия.