Нейтронная звезда и ее компаньон в двойной системе с учетом искривления пространства в представлении художника
Sebastian Bularca / Flickr
Масса пульсара PSR J0740+6620 оказалась рекордной для известных нейтронных
звезд: 2,17 масс Солнца. Значение соответствует верхним пределам теоретических
оценок и поможет определить пока что неизвестное уравнение состояния вещества при
сверхъядерной плотности в недрах нейтронных звезд, пишут авторы в препринте на arXiv.org.
Нейтронные звезды — это
один из возможных конечных этапов эволюции обычных светил. Они обладают
исключительно высокой плотностью, которая даже превышает ядерную. В атомных
ядрах плотность может достигать 3×1017 килограммов на метр кубический, а в центре
нейтронных звезд, по различным оценкам, может быть в несколько раз больше.
Основной проблемой на
современном этапе исследований этих экстремальных объектов является неизвестное
уравнение состояния материи в их недрах, то есть зависимость давления от
плотности. Существует большое разнообразие моделей, которые предполагают
различное внутреннее строение, размер и другие свойства нейтронных звезд.
Протестировать различные
модели строения можно при помощи изучения миллисекундных пульсаров — быстровращающихся
нейтронных звезд, яркое радиоизлучение с полюсов которых при каждом обороте
фиксируется на Земле. Многие параметры таких объектов и явления в их окрестностях можно
определить методом пульсарного тайминга, то есть посредством длительных наблюдений
принимаемых сигналов.
В работе под руководством
Ханны Кромарти (Hanna Thankful Cromartie) из Виргинского университета описывается
определение массы пульсара PSR J0740+6620 в двойной системе с белым карликом.
Оценка стала возможной благодаря наблюдению эффекта Шапиро — замедлению распространения
света при прохождении вблизи массивного тела. Этот феномен является одним из стандартных проявлений общей теории относительности Альберта Эйнштейна и измерен во многих ситуациях, в том числе и для планет Солнечной системы.
Остаточная задержка во времени прихода сигнала в зависимости от орбитальной фазы, нейтронная звезда оказывается за компаньоном на фазе 0,25. Верхняя панель — с учетом всех релятивистских эффектов. Средняя панель — результат лучшей классической модели. Нижняя панель — выделенная задержка Шапиро.
H. T. Cromartie et al., 2019
В данном случае подходящие
условия возникают при движении пульсара позади компаньона при орбитальном
соединении, то есть попадании обоих тел на луч зрения. Измерение задержки по
времени прихода сигналов пульсара и знание параметров обращения тел в системе
позволяют с высокой точностью вычислить массу пульсара, которая оказалась равна
2,17 солнечных.
Объект стал самой массивной нейтронной звездой из известных на данный момент; звезд
этого класса тяжелее двух Солнц в принципе известно достаточно мало. Открытие позволяет
установить новые ограничения на возможные уравнения состояния вещества в недрах
нейтронных звезд и указывает на справедливость более жестких уравнений, в
которых давление в зависимости от массы растет быстрее. Физически это соответствует
появлению отталкивания между частицами при меньших плотностях.
Самой точной теоретической оценкой верхнего предела считается значение 2,16 масс Солнца, она получена с использованием информации об излученных гравитационных волнах в единственном известном на данный момент слиянии нейтронных звезд. Тем не менее, в пределах ошибок эти величины согласуются.
Нейтронные звезды имеют непосредственное отношение к химической эволюции Вселенной, ведь именно в их слияниях образуются самые тяжелые элементы. Поэтому изучение этих объектов важно не только в контексте релятивистской астрофизики и физики высоких энергий, но и для других областей науки.
Тимур Кешелава