Новый механизм нейтринного охлаждения нейтронных звезд: объяснение аномалии в Кассиопее А
Модель запаздывающего охлаждения: как процессы в ядре нейтронной звезды проявляются на поверхности спустя века.
В бездонной космической глубине, среди останков взорвавшихся звезд, скрываются загадочные объекты нашей Вселенной — нейтронные звезды. Эти невероятные космические тела, рожденные в катастрофических вспышках сверхновых, представляют собой гигантские атомные ядра размером с город, но обладающие массой, сравнимой с массой Солнца. Вещество в их недрах сжато до немыслимых плотностей, создавая условия, недостижимые ни в одной земной лаборатории и бросая вызов самым передовым физическим теориям.
Особое место среди этих удивительных объектов занимает нейтронная звезда в туманности Кассиопея А — самая молодая в нашей Галактике. Еще более удивительным, чем ее существование, оказалось ее поведение: за последние 20 лет астрономы стали свидетелями ее стремительного и необъяснимого остывания. Этот процесс протекал настолько быстро, что опровергал все существующие прогнозы, указывая на пробелы в нашем понимании физики сверхплотного вещества. Разгадка этой тайны, предложенная российскими учеными, не только проливает свет на жизнь звезд-призраков, но и позволяет заглянуть в самые экзотические состояния материи, существующие в природе.
Сотрудники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН выдвинули новую теорию, которая дает объяснение аномально быстрому остыванию самой молодой из известных нейтронных звезд в нашей галактике. Этот объект, расположенный в центре туманности Кассиопея А и имеющий возраст примерно 345 лет, демонстрирует уникальное поведение. За два десятилетия прямых наблюдений температура его поверхности снизилась на несколько процентов, что существенно превышает темпы охлаждения, предсказанные стандартной теорией эволюции таких звезд.
Нейтронные звезды остывают изнутри благодаря процессу нейтринного охлаждения, при котором легкие частицы нейтрино, рождающиеся в их сверхплотных недрах, свободно уносят энергию в космическое пространство. Около пятнадцати лет назад научное сообщество предположило, что наблюдаемое ускоренное падение температуры поверхности нейтронной звезды является прямым следствием усиления этого внутреннего нейтринного охлаждения, вызванного возникновением сверхтекучести в ядре звезды. Однако последующие данные наблюдений показали, что данную гипотезу крайне сложно согласовать с реальностью.
Новая модель, опубликованная в Journal of High Energy Astrophysics, предлагает принципиально иной механизм. Ученые связали ускоренное остывание с работой особо мощных нейтринных реакций, которые могут идти вблизи самого центра звезды даже при полном отсутствии сверхтекучести. Эти экзотические реакции стремительно охлаждают небольшую центральную область — внутреннее ядро звезды.
Критически важным элементом теории является эффект задержки: тепловая волна от быстро остывшего центра достигает поверхности и становится обнаруживаемой для внешнего наблюдателя лишь спустя сотни лет. Именно эта задержка объясняет, почему падение температуры стало заметно только сейчас, а не в первые годы жизни звезды.
Выяснение истинного механизма остывания нейтронных звезд имеет фундаментальное значение для всей физики, поскольку оно напрямую связано с определением неизвестных свойств сверхплотного вещества, существующего в их ядрах в условиях, не воспроизводимых на Земле. Как пояснил руководитель проекта, член-корреспондент РАН Дмитрий Яковлев, продолжающиеся наблюдения за нейтронной звездой в туманности Кассиопея А с помощью космической рентгеновской обсерватории «Чандра» должны позволить надежно установить, какой из сценариев — сверхтекучесть или мощные реакции в ядре — является верным. Ответственный исполнитель проекта Александр Потехин добавил, что дальнейшая работа будет включать серии новых расчетов на основе самых современных теоретических моделей, что необходимо для интерпретации поступающих наблюдательных данных и окончательного решения этой фундаментальной проблемы астрофизики.