Столкновение раскрывает загадочный состав нейтронных звезд

На картах астрофизиков звездного материала есть вещество, которое по-прежнему заслуживает ярлыка «здесь были драконы». Этот плохо понимаемый материал находится внутри нейтронных звезд — разрушенных остатков некогда могучих звезд — и теперь его намечают, поскольку ученые лучше характеризуют странную материю.

Обнаружение двух сталкивающихся нейтронных звезд, объявленных в октябре, ускорило темпы открытия. Поскольку событие, которое ученые наблюдали с гравитационными волнами и различными длинами волн света, в нескольких исследованиях были установлены новые ограничения на размеры и массы, возможные для такой звездной шелухи, и насколько они хрустящие или жесткие.

«Свойства вещества нейтронной звезды не очень хорошо известны, — говорит физик Андреас Баусвейн из Гейдельбергского института теоретических исследований в Германии. Частью проблемы является то, что вещество внутри нейтронной звезды настолько плотно, что чайная ложка весит миллиард тонн, поэтому вещество не может быть воспроизведено ни в одной лаборатории на Земле.

При столкновении две нейтронные звезды слились в одну. Этот остаток может сразу же превратиться в черную дыру. Или, возможно, он сформировал большую, вращающуюся нейтронную звезду, которая, поддерживаемая своим собственным быстрым вращением, существовала в течение нескольких миллисекунд — или, возможно, намного дольше — до свертывания.

Скорость кончины объекта помогает ученым выяснить, состоят ли нейтронные звезды из материала, который является относительно мягким, сжимается при сжатии, как подушка, или что вещество нейтронной звезды жесткое. Это свойство, известное как уравнение состояния, определяет радиус нейтронной звезды определенной массы.

Говорят, что немедленный коллапс представляется маловероятным, говорят две команды исследователей. Телескопы заметили яркий свет после столкновения. Это свечение могло появиться только в том случае, если бы произошла задержка до того, как слитая нейтронная звезда рухнула в черную дыру, говорит физик Дэвид Радис из Принстонского университета, потому что, когда остаток разрушается, «все материалы вокруг попадают внутрь черной дыры немедленно». Вместо этого, ученые предполагают, что нейтронная звезда застряла в течение как минимум нескольких миллисекунд.

Моделирование показывает, что если звезды нейтронов будут мягкими, они будут разрушаться быстрее, потому что они будут меньше, чем жесткие нейтронные звезды той же массы. Таким образом, предполагаемая задержка позволяет Radice и коллегам исключать теории, которые предсказывают, что нейтронные звезды чрезвычайно мягкие, сообщают исследователи в статье, опубликованной 13 ноября на arXiv.org.

Используя аналогичную логику, Баусвейн и его коллеги исключают некоторые из самых маленьких размеров, которые могут представлять нейтронные звезды определенной массы. Например, нейтронная звезда на 60 процентов более массивная, чем солнце, не может иметь радиус меньше 10,7 километров, они определяют. Эти результаты представлены в статье, опубликованной 29 ноября в «Астрофизических журнальных письмах».

Другие исследователи устанавливают предел максимальной массы, которую может иметь нейтронная звезда. Над определенным весом нейтронные звезды больше не могут поддерживать собственный вес и разрушаться в черную дыру. Если бы эта максимально возможная масса была особенно велика, теории предсказывают, что новообразованная бегемотская нейтронная звезда продержалась бы несколько часов или дней до разрушения. Но в третьем исследовании два физика определили, что коллапс пришел намного быстрее, чем в миллисекундах, а не в часы. Долговечная, вращающаяся нейтронная звезда рассеивала бы свою вращательную энергию в материале, выброшенном из столкновения, делая поток светящегося вещества более энергичным, чем увиденное, сообщают физики Бен Маргалит и Брайан Мецгер из Колумбийского университета. В статье, опубликованной 21 ноября в журнале Astrophysical Journal Letters, пара приходит к выводу, что максимально возможная масса меньше, чем примерно в 2,2 раза больше, чем у Солнца.

«У нас не было большого количества ограничений до этого открытия, — говорит Мецгер. В результате также исключаются некоторые из более жестких уравнений состояния, поскольку более жесткая материя имеет тенденцию поддерживать более крупные массы без разрушения.

Некоторые теории предсказывают, что причудливые формы материи создаются глубоко внутри нейтронных звезд. Нейтронные звезды могут содержать море свободноплавающих кварков — частиц, которые обычно ограничены более крупными частицами, такими как протоны или нейтроны. Другие физики предполагают, что нейтронные звезды могут содержать гипероны, частицы, выполненные с более тяжелыми кварками, известными как странные кварки, не встречающиеся в нормальной материи. Такая необычная материя имела бы тенденцию к тому, чтобы звезды становились более мягкими, поэтому закрепление уравнения состояния с дополнительными столкновениями нейтронной звезды могло в конечном итоге решить, действительно ли эти экзотические звери физики скрываются на этой неизведанной территории.