Ученые раскрывают общую структуру нейтронных звезд
До сих пор ученым мало что известно о недрах нейтронных звезд — чрезвычайно компактных и массивных объектах, которые могут образоваться после смерти звезд. С момента их открытия более 60 лет назад ученые пытаются понять их внутреннюю структуру.
Самой большой проблемой является моделирование экстремальных условий внутри нейтронных звезд, поскольку их вряд ли можно воссоздать на Земле в лаборатории.
Поэтому существует множество моделей, в которых различные свойства — от плотности до температуры — описываются с помощью так называемых уравнений состояния. Эти уравнения пытаются описать структуру нейтронных звезд от звездной поверхности до внутреннего ядра.
Теперь физикам из Университета Гёте во Франкфурте удалось добавить к загадке внутреннего строения нейтронных звезд несколько важных деталей.
Рабочая группа под руководством профессора Лучано Резоллы из Института теоретической физики разработала более миллиона различных уравнений состояния, которые удовлетворяют ограничениям, установленным данными, полученными из теоретической ядерной физики, с одной стороны, и астрономическими наблюдениями, с другой.
Оценивая уравнения состояния, ученые сделали неожиданное открытие: «легкие» нейтронные звезды (с массой меньше примерно 1,7 массы Солнца ), по-видимому, имеют мягкую мантию и твердое ядро, тогда как «тяжелые» нейтронные звезды (с массами более 1,7 массы Солнца) вместо этого имеют твердую мантию и мягкое ядро.
«Этот результат очень интересен, потому что он дает нам прямую меру того, насколько сжимаемым может быть центр нейтронных звезд, — говорит профессор Лучано Резолла.
— Нейтронные звезды, по-видимому, ведут себя немного как шоколадные конфеты: фундук в их центре, окруженный мягким шоколадом, тогда как тяжелые звезды можно рассматривать скорее как те конфеты, где твердый слой содержит мягкую начинку».
Решающее значение для этого понимания имела скорость звука. Эта количественная мера описывает, насколько быстро звуковые волны распространяются внутри объекта, и зависит от того, насколько твердой или мягкой является материя.
Например, на Земле, скорость звука используется для исследования недр планеты и обнаружения месторождений нефти.
Смоделировав уравнения состояния, физики также смогли раскрыть другие ранее необъяснимые свойства нейтронных звезд.
Например, вне зависимости от их массы, они, скорее всего, имеют радиус всего около 12 км.
«Наше обширное численное исследование не только позволяет нам делать прогнозы для радиусов и максимальных масс нейтронных звезд, но и устанавливать новые ограничения на их деформируемость в двойных системах, то есть на то, насколько сильно они искажают друг друга через свои гравитационные поля».
«Эти идеи станут особенно важными для точного определения неизвестного уравнения состояния с будущими астрономическими наблюдениями и обнаружением гравитационных волн от сливающихся нейтронных звезд» — говорят ученые.
Работа будет опубликована в The Astrophysical Journal Letters.