Нейтронные звезды по праву считаются одними из самых загадочных и экстремальных объектов в наблюдаемой Вселенной. Эти космические объекты, рождающиеся в ослепительных вспышках сверхновых, представляют собой ядра массивных звезд, сжатые до невероятных масштабов. Их плотность настолько чудовищна, что материя в них принимает формы, которые невозможно воспроизвести в земных лабораториях: чайная ложка вещества такой звезды весила бы миллиарды тонн.
Впервые обнаруженные в 60-е годы прошлого века, они и по сей день хранят свои тайны, главная из которых, это их внутреннее строение. Ученые предполагают, что в их недрах могут скрываться не только нейтроны, но и сверхтекучие жидкости, кварковая материя и другие экзотические состояния вещества. Однако заглянуть внутрь этих объектов, которые, по сути, являются гигантскими атомными ядрами диаметром в несколько километров, казалось невозможным.
Ключ к разгадке может лежать не в традиционной оптике, а в гравитационно-волновой астрономии. Когда две нейтронные звезды, врщаются на близких орбитах, неумолимо сближаясь, они деформируют друг друга мощнейшими приливными силами. Этот «космический балет» порождает рябь в ткани пространства-времени — гравитационные волны, которые, достигнув Земли, несут в себе уникальную информацию о своих источниках. Но чтобы расшифровать эти волны и понять, что скрывается под корой нейтронной звезды, необходима сложнейшая теоретическая база. Именно такой прорыв, который можно сравнить с настройкой музыкального инструмента для идеального звучания, совершила международная группа физиков, опубликовавшая свою работу в журнале Physical Review Letters.
На протяжении десятилетий ученые пытались понять, как именно нейтронная звезда реагирует на приливное воздействие своего компаньона. В ньютоновской физике, где гравитация описывается как обычная сила, решение было относительно простым: звезда откликается на возмущение набором колебаний, или мод, которые ведут себя как затухающие пружины (гармонические осцилляторы). Более того, эти моды образуют так называемый «полный набор», то есть они могут описать любой возможный отклик звезды, и ничего кроме них для этого описания не требуется.
Но нейтронные звезды это арена действия гораздо более сложной теории — Общей теории относительности Эйнштейна. Здесь гравитация это не сила, а искривление пространства и времени. Сами звезды настолько плотны, а их скорости перед слиянием достигают почти половины скорости света, что пространство-время вокруг них искажается до неузнаваемости. В этих условиях попытки выделить те самые «чистые» моды, не смешивая их с излучением и сложным взаимодействием двух тел, разбивались о математические трудности.
Физики из Университета Иллинойса, Принстона и других институтов нашли элегантный способ обойти эти препятствия. Ключевая идея заключалась в том, чтобы разделить сложную картину на отдельные уровни, используя метод сращиваемых асимптотических разложений.
Исследователи мысленно «разрезали» пространство вокруг звезды на две зоны: зону сильной гравитации (внутри звезды и вблизи ее поверхности) и зону слабой гравитации (вдалеке от нее). В дальней зоне, где гравитация уже не так сильно искажает пространство, излучение гравитационных волн становится доминирующим процессом.
Сосредоточившись на ближней зоне и «отсекая» излучение как незначительную поправку на данном этапе, ученые смогли корректно сформулировать математические условия на границе звезды. Это позволило им впервые строго доказать, что и в рамках Общей теории относительности приливные колебания нейтронной звезды образуют тот самый полный набор гармонических осцилляторов, аналогичный ньютоновскому случаю. Другими словами, они нашли способ «выключить» гравитационное излучение в уравнениях ровно настолько, чтобы выделить чистый сигнал внутренних колебаний звезды.
Это достижение имеет огромное практическое значение. Оно означает, что астрофизики получили теоретически обоснованный инструмент для моделирования гравитационно-волнового сигнала от слияния нейтронных звезд. Теперь они могут точно рассчитать, как частота и скорость затухания этих мод зависят от состава звезды. Сравнивая эти теоретические расчеты с реальными данными, которые собирают детекторы LIGO и Virgo, ученые смогут, наконец, заглянуть в самое сердце нейтронной звезды.
Мы сможем узнать, действительно ли там существует чисто нейтронная материя или же, как предполагают некоторые теории, на предельных плотностях вещество переходит в новое состояние — кварк-глюонную плазму, материю, из которой состояла Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва. Это позволит изучать экстремальные состояния вещества при низких температурах, что невозможно воспроизвести ни в одном земном ускорителе частиц.
Впрочем, до окончательных ответов еще далеко. Как отмечают сами исследователи, чувствительности текущего поколения детекторов гравитационных волн пока недостаточно, чтобы разглядеть отдельные «автографы» мод в шуме данных. Сигнал от слияния слишком слаб, а нужная информация лежит в высокочастотном диапазоне, где современные приборы «глуховаты». Ученые с нетерпением ждут ввода в строй детекторов следующего поколения, которые обещают быть гораздо более чувствительными.
В оставшееся время у теоретиков есть возможность доработать свою модель, включив в нее такие важные факторы, как вращение нейтронных звезд (большинство из них вращаются с огромной скоростью) и влияние мощнейших магнитных полей. Тем не менее, самый сложный этап пройден. Гравитация, главный источник математических мучений, наконец-то укрощена, и теперь ученые готовятся услышать ту самую «музыку сфер», которая расскажет им о самом экзотическом веществе во Вселенной.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
