Нове дослідження показує, на що схожі нейтронні зірки

Життя не зовсім схоже на коробку шоколадних цукерок, але здається, що там щось є. Нейтронні зірки – одні з найщільніших об’єктів у Всесвіті – можуть мати структури, дуже схожі на шоколадні цукерки, з липкими або твердими центрами. З яких типів конфігурацій частинок складаються ці центри, досі невідомо, але нова теоретична робота, що розкриває цей дивовижний результат, може наблизити нас на крок ближче до розуміння дивних нутрощів цих мертвих зірок і диких крайнощів, можливих у нашому Всесвіті.

Нейтронні зірки неймовірні. Якщо ми розглядаємо чорні діри як об’єкти величезної (якщо не нескінченної) концентрації матерії, нейтронні зірки займають друге місце в нагороді за найбільшу щільність Всесвіту. Коли у зорі, маса якої приблизно у 8-30 разів перевищує масу Сонця, закінчується речовина для злиття в її ядрі, вона більше не підтримується зовнішнім тиском тепла, що дозволяє ядру руйнуватися під дією сили тяжіння, коли його оболонка з оточуючих газів дрейфує. в космос.

Отримана нейтронна зірка має зменшену масу приблизно у 2,3 раза більшу за масу Сонця, але вона стиснута у сферу лише 20 кілометрів (12 миль) у поперечнику. Ці речі ЩІЛЬНІ великими літерами – і вчені дуже хочуть дізнатися, що саме відбувається з матерією під таким приголомшливим тиском.

Деякі дослідження припускають, що ядра скупчуються разом, поки не утворюють форми, що нагадують макарони. Інші припускають, що ще глибше всередині зірки тиск стає настільки екстремальним, що атомні ядра взагалі припиняють існування, конденсуючись у «суп» із кваркової матерії. Тепер фізики-теоретики на чолі з Лучано Реццоллою з Університету Гете в Німеччині виявили, як нейтронні зірки можуть бути схожі на шоколадні цукерки з різними начинками.

Команда поєднала теоретичну ядерну фізику та астрофізичні спостереження, щоб розробити набір із понад мільйона «рівнянь стану». Це рівняння, які пов’язують тиск, температуру та об’єм даної системи, у цьому випадку нейтронної зірки. Використовуючи їх, команда розробила залежний від масштабу опис швидкості звуку в нейтронних зірках. І ось тут стає цікаво. Швидкість звуку в певному об’єкті, будь то зірка чи планета, може виявити структуру його внутрішнього середовища.

Подібно до того, як сейсмічні хвилі на Землі та Марсі по-різному поширюються через матеріали різної щільності, відкриваючи структури та шари, акустичні хвилі , які відбиваються навколо зірок, можуть показати, що відбувається всередині них. Коли команда використовувала свої рівняння стану для вивчення швидкості звуку в нейтронних зірках, їх структури не були однаковими за всіма напрямками. Швидше, нейтронні зірки з нижньою межею діапазону мас, менші за масу Сонця в 1,7 раза, здавалося, мали м’яку мантію та більш тверде ядро, тоді як ті, що мають масу понад 1,7 маси Сонця, мали тверду мантію та м’яке ядро.

«Цей результат дуже цікавий, оскільки він дає нам пряме вимірювання того, наскільки стисливим може бути центр нейтронних зірок», — каже Реццолла.

«Нейтронні зірки, мабуть, поводяться трохи як шоколадні праліне: легкі зірки нагадують ті шоколадні цукерки, у центрі яких є лісовий горіх, оточений м’яким шоколадом, тоді як важкі зірки можна вважати скоріше тими шоколадними цукерками, де твердий шар містить м’яку начинку».

Здається, це відповідає як ядерній пасті, так і кварковому супу з інтерпретаціями нутрощів нейтронної зірки, але це також надає нову інформацію, яка може допомогти моделювати нейтронні зірки в діапазоні мас у майбутніх роботах. Це також може пояснити те, що, незалежно від їх маси, усі нейтронні зірки мають приблизно однаковий діаметр приблизно 20 кілометрів.

«Наше масштабне чисельне дослідження дозволяє нам не тільки робити прогнози щодо радіусів і максимальних мас нейтронних зірок, але й встановлювати нові обмеження на їх деформованість у подвійних системах, тобто на те, наскільки сильно вони спотворюють один одного своїми гравітаційними полями», каже фізик Крістіан Екер з Університету Гете.

«Ці ідеї стануть особливо важливими для точного визначення невідомого рівняння стану за допомогою майбутніх астрономічних спостережень і виявлення гравітаційних хвиль від зірок, що зливаються». Джерело