Астрофизики определили предел: максимальная масса нейтронной звезды — 2,3 масс Солнца

Новое исследование нейтронных звезд было выполнено венгерскими физиками Габором Касой и Дьёрдем Вольфом из Центра теоретической физики Wigner (Будапешт) и Университета MATE. Ученые обнаружили, что максимальная масса нейтронных звезд с высокой вероятностью находится в пределах 2,2–2,3 массы Солнца, а соответствующий радиус составляет около 12 километров, плюс-минус один километр. Результаты работы представлены на сайте препринтов arXiv.

Нейтронные звезды это единственные природные лаборатории, где вещество можно изучать при плотностях, в несколько раз превышающих плотность атомного ядра, и при этом при почти абсолютном нуле температуры. Ни один земной ускоритель пока не способен воспроизвести такие условия. Именно поэтому астрофизики так внимательно следят за сигналами, приходящими от этих объектов: от рентгеновских телескопов до гравитационно-волновых детекторов.

Группа венгерских исследователей под руководством Габора Касы поставила вопрос прямо: насколько велика может быть нейтронная звезда? Точнее, какова предельная масса, при которой она еще не схлопывается в черную дыру, и каким радиусом при этом обладает. Для ответа они применили байесовский подход, который позволяет взвешивать разные теоретические модели уравнения состояния (то есть зависимости давления от плотности) в соответствии с тем, насколько хорошо они согласуются с реальными наблюдениями.

В основе их подхода соединение двух описаний вещества. При низких плотностях (близких к ядерным) они используют проверенные модели адронной материи (SFHo и DD2), которые описывают ядра и нейтроны. При сверхвысоких плотностях в игру вступает кварковая материя, для чего применяется расширенная линейная сигма-модель. Между этими областями ученые строят гладкий интерполяционный переход, чтобы уравнение состояния не противоречило законам физики и оставалось причинным (то есть скорость звука в такой материи не превышала скорость света).

В работе были последовательно учтены практически все значимые наблюдательные данные последних лет. Это измерения радиусов и масс пяти пульсаров, выполненные телескопом NICER. Это сигнал гравитационных волн от слияния двух нейтронных звезд GW170817, который накладывает ограничения на приливную деформируемость.

Также исследователи аккуратно рассмотрели два спорных, но очень интересных объекта: кандидата в нейтронную звезду рекордно малой массы HESS J1731-347 (около 0,77 солнечной массы) и загадочный компактный объект в событии GW190814 с массой около 2,59 солнечных масс, который лежит в так называемом «разрыве масс» между нейтронными звездами и черными дырами.

Ключевой результат оказался обнадеживающе устойчивым. Независимо от того, какую модель адронной материи брали за основу (более мягкую SFHo или более жесткую DD2), итоговое распределение максимальной массы нейтронной звезды сильно зависело именно от наблюдений, а не от теоретических предпочтений. Ограничения от pQCD уже сами по себе сдвигают пик вероятности чуть выше 2,1 массы Солнца. Добавление данных NICER делает распределение резким и четким: максимум около 2,2–2,3 солнечных масс. Если же предположить, что объект в GW190814 это нейтронная звезда, то пик смещается к 2,6–2,7 солнечных масс. С другой стороны, кандидат HESS J1731-347 практически не влияет на предельную массу, что подчеркивает его неопределенный статус.

С радиусами ситуация интереснее. Здесь проявляется чувствительность к модели: для более мягкой SFHo характерный радиус предельной конфигурации составляет около 11,8 км, а для более жесткой DD2 около 12,4 км. Если же ужесточить ограничения на приливную деформируемость, то жесткая модель DD2 начинает испытывать трудности, так как она предсказывает слишком большие радиусы и приливные эффекты, чтобы одновременно объяснить и массу 2,59 солнечных масс. Это показывает, как комбинация разных наблюдений способна отсеивать целые классы теоретических уравнений состояния.

Авторы приходят к выводу, что наиболее надежные на сегодняшний день наблюдения (pQCD, GW170817, NICER) совместно указывают на максимальную массу нейтронной звезды в интервале 2,2–2,3 массы Солнца с радиусом в пределах 12 ± 1 километра. Эти цифры хорошо согласуются с известной массивной нейтронной звездой PSR J0952-0607 (2,35 ± 0,17 массы Солнца). Полученные распределения демонстрируют, что будущие уточнения наблюдений, особенно от NICER и гравитационно-волновых детекторов, помогут окончательно определить, какая из альтернативных моделей высокоплотной материи реализована в природе.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях