Вчені «зважили» нейтронну зірку

Нейтронні зірки є одними з найбільш екстремальних об’єктів у Всесвіті. Утворені з колапсованих ядер надгігантських зірок, вони важать більше, ніж наше Сонце, але стиснуті у сферу розміром з місто. Щільні ядра цих екзотичних зірок містять матерію, здавлену в унікальні стани, які ми не можемо відтворити та вивчити на Землі. Ось чому NASA виконує місію з вивчення нейтронних зірок і вивчення фізики, яка керує матерією всередині них.

Ми з колегами допомагали їм. Ми використовували радіосигнали від швидко обертової нейтронної зірки, щоб виміряти її масу. Це дозволило вченим, які працювали з даними NASA, виміряти радіус зірки, що, своєю чергою, дало нам найточнішу інформацію про дивну матерію всередині.

Що знаходиться всередині нейтронної зірки?

Речовина в ядрі нейтронних зірок навіть щільніша за ядро ​​атома. Будучи найщільнішою стабільною формою матерії у Всесвіті, вона розчавлена ​​до межі та знаходиться на межі колапсу в чорну діру. Розуміння того, як матерія поводиться в цих умовах, є ключовим випробуванням наших теорій фундаментальної фізики. Місія NASA Neutron star Interior Composition ExploreR (NICER) намагається розгадати таємниці цієї екстремальної матерії.

NICER — рентгенівський телескоп на Міжнародній космічній станції. Він виявляє рентгенівське випромінювання, що надходить від гарячих точок на поверхні нейтронних зірок, де температура може досягати мільйонів градусів. Вчені моделюють час і енергію цих рентгенівських променів, щоб відобразити гарячі точки та визначити масу та розмір нейтронних зірок.

Знання того, як розміри нейтронних зірок співвідносяться з їхньою масою, покаже «рівняння стану» речовини в їх ядрах. Це говорить вченим, наскільки нейтронна зірка м’яка чи тверда – наскільки «стисклива» – і, отже, з чого вона складається.

Більш м’яке рівняння стану припускає, що нейтрони в ядрі розпадаються на екзотичний суп із дрібніших частинок. Більш жорстке рівняння стану може означати опір нейтронів, що призведе до більших нейтронних зірок. Рівняння стану також визначає, як і коли нейтронні зірки розриваються на частини під час зіткнення.

Розгадка таємниці з сусідом нейтронної зірки

Однією з основних цілей NICER є нейтронна зірка під назвою PSR J0437-4715, яка є найближчим і найяскравішим мілісекундним пульсаром.

Пульсар — це нейтронна зірка, яка випромінює пучки радіохвиль, які ми спостерігаємо як імпульс щоразу, коли нейтронна зірка обертається. Цей конкретний пульсар обертається 173 рази на секунду (швидко, як блендер). Ми спостерігаємо за ним майже 30 років за допомогою Murriyang, радіотелескопа Parkes CSIRO в Новому Південному Уельсі.

Команда, яка працювала з даними NICER, зіткнулася з проблемою для цього пульсара. Рентгенівські промені, що надходять із сусідньої галактики, ускладнили точне моделювання гарячих точок на поверхні нейтронної зірки. На щастя, ми змогли за допомогою радіохвиль знайти незалежне вимірювання маси пульсара. Без цієї важливої ​​інформації команда не відновила б правильну масу.

Зважування нейтронної зірки залежить від часу

Щоб виміряти масу нейтронної зірки, ми покладаємося на ефект, описаний загальною теорією відносності Ейнштейна, який називається затримкою Шапіро. Масивні та щільні об’єкти, такі як пульсари – і в цьому випадку його зірка-супутник, білий карлик – деформують простір і час. Пульсар і цей компаньйон обертаються один навколо одного кожні 5,74 дня. Коли імпульси від пульсара доходять до нас через стислий простір-час навколо білого карлика, вони затримуються на мікросекунди.

Такі мікросекундні затримки легко виміряти за допомогою Murriyang від пульсарів, таких як PSR J0437-4715. Цей пульсар та інші мілісекундні пульсари регулярно спостерігаються за проектом Parkes Pulsar Timing Array, який використовує ці пульсари для виявлення гравітаційних хвиль.

Оскільки PSR J0437-4715 знаходиться відносно близько до нас, з нашої точки зору його орбіта злегка коливається, коли Земля рухається навколо Сонця. Це коливання дає нам більше деталей про геометрію орбіти. Ми використовуємо це разом із затримкою Шапіро, щоб знайти маси компаньйона білого карлика та пульсара.

Маса і розмір PSR J0437-4715

Підрахували, що маса цього пульсара є типовою для нейтронної зірки і в 1,42 раза перевищує масу нашого Сонця. Це важливо, тому що розмір цього пульсара також повинен бути розміром типової нейтронної зірки. Потім вчені, які працювали з даними NICER, змогли визначити геометрію рентгенівських гарячих точок і підрахувати, що радіус нейтронної зірки становить 11,4 кілометра. Ці результати дають найточнішу опорну точку для рівняння стану нейтронної зірки при проміжних густинах.

Наша нова картина вже виключає найм’якші та найжорсткіші рівняння стану нейтронної зірки. Вчені продовжать розшифровувати, що це означає для присутності екзотичної матерії у внутрішніх ядрах нейтронних зірок. Теорії припускають, що ця проблема може включати кварки, які втекли зі своїх звичайних домів у більші частинки, або рідкісні частинки, відомі як гіперони.

Ці нові дані доповнюють нову модель внутрішнього простору нейтронних зірок, яка також базується на спостереженнях гравітаційних хвиль від зіткнення нейтронних зірок і пов’язаного з ними вибуху, який називається кілонова. Murriyang має довгу історію допомоги в місіях NASA, і, як відомо, він використовувався як основний приймач відеоматеріалів для більшої частини місячної прогулянки Аполлона-11. Тепер ми використали цей культовий телескоп, щоб «зважити» фізику внутрішніх частин нейтронної зірки, розширивши наше фундаментальне розуміння Всесвіту.