Астрономы уточнили размер нейтронных звезд
Сравнительный размер нейтронной звезды. Фото: NASA’s Goddard Space Flight Center
Международная исследовательская группа во главе с сотрудниками Института гравитационной физики им. Макса Планка смогла усовершенствовать методику расчета размера нейтронных звезд. Для этого они внимательно изучили слияние нейтронной звезды GW170817. Результаты исследования предполагают, что типичный радиус нейтронной звезды достигает 11 километров. Кроме того, они также обнаружили, что нейтронная звезда в системе с черной дырой может быть поглощена ей при условии, что размеры черной дыры больше, и она вращается не быстро. Это означает, что подобные слияния могут быть источниками гравитационных волн, но при этом не могут быть обнаружены в электромагнитном спектре.
«Слияние нейтронных звезд в двойной системе – это настоящее сокровище для астрономов!», — говорит Коллин Капано, ведущий автор исследования. «Нейтронные звезды – это самый плотный объект в наблюдаемой Вселенной. Они настолько плотные, что, например, размер нейтронной звезды, полученной из Солнца, был бы всего несколько километров! Измеряя свойства этих объектов, мы узнаем о фундаментальной физике, которая управляет материей на субатомном уровне».
«Мы рассчитали, что размер типичной нейтронной звезды, масса которой превышает солнечную в 1.4 раза, составляет всего 11 километров», — добавил Бадри Кришнан, который возглавляет исследовательскую группу. «Наши результаты ограничивают радиус в пределах от 10,4 до 11,9 километров. Эти значения более чем в два раза точнее, чем давали предыдущие наблюдения».
Визуализация процесса столкновения в системе GW170817. двух нейтронных. Видео: Chandra X-ray Observatory
Нейтронные звезды — компактные, чрезвычайно плотные остатки взрывов сверхновых. Имея размер небольшого города, их масса может превышать массу Солнца и как ведет себя столь плотная материя остается неизвестно. В лабораториях невозможно даже приблизиться к таким условиям. Ученые предлагают различные гипотезы, относительно того как ведет себя материя в нейтронной звезде, но доказать или опровергнуть их пока невозможно.
Слияние нейтронных звезд позволяет астрономам определить их фундаментальные параметры: массу, размер, орбиту. Так, наблюдая за слиянием нейтронных звезд GW170817 с помощью гравитационных волн и в электромагнитном спектре в августе 2017 года, астрономам удалось изучить поведение материи в экстремальных условиях.
«Это немного ошеломляет. GW170817 был вызван столкновением двух объектов размером с город 120 миллионов лет назад, когда по Земле гуляли динозавры. Это произошло в галактике, которая расположена на расстоянии миллиарда триллионов километров. И с такого расстояние мы изучаем поведение материи на субатомном уровне!», — сказал Капано.
Насколько большая нейтронная звезда?
Франко-итальянский детектор гравитационных волн Virgo. Фото: НАСА
Для первоначальной оценки размеров нейтронной звезды у исследователей было несколько различных моделей, которые могли описать состояния нейтронных звезд. Из этой вариации ученые выбрали несколько моделей, которые могли бы объяснить предыдущие астрофизические наблюдения нейтронных звезд. После этого они наложили полученные данные на результаты наблюдения системы GW170817 с помощью данных регистраторов гравитационных волн LIGO и Virgo. Это позволило ученым не только получить достоверную информацию о физике плотной материи, но и получить самые строгие ограничения на размер нейтронных звезд на сегодняшний день.
Будущие наблюдения за нейтронными звездами
«Эти результаты впечатляют не только потому, что мы смогли значительно улучшить измерения радиусов нейтронных звезд, но и потому, что они дают нам представление о судьбе нейтронных звезд в сливающихся двойных системах», — говорит Стефани Браун, соавтор публикации. Благодаря этому исследованию астрономы наконец-то смогут выйти на такой высокий уровень, что смогут отличать только по анализу гравитационных волн слияние двух нейтронных звезд от слияния двух черных дыр.
Однако существует один нюанс. Слияние черной дыры и нейтронный звезды будет достаточно сложно отличить от слияния двух черных дыр. Для их разделения придется воспользоваться еще изучением их электромагнитного спектра. Но и здесь есть загвоздка. На основании теоретических расчетов, астрономы предполагают, что при таком слияние нейтронная звезда не будет разорвана черной дырой, а просто «нырнет» внутрь. Исключением будет лишь тот слушай, когда размер черной дыры достаточно мал или её скорость вращения достаточно велика.
Светлое будущее впереди
Ученые с оптимизмом смотрят в будущее и надеются на модернизацию существующих детекторов и постройку новых, которые позволят выйти на беспрецедентный уровень анализа гравитационных волн. Ведь каждое события слияние нейтронных звезд дает астрономам уникальную возможность узнать больше о нейтронной звезде и ядерной физике.
Источник
Нейтронная звезда
Или их еще называют пульсарами, магнетарами, радиопульсарами, рентгеновскими пульсарами
Нейтронная звезда — очень быстро вращающееся тело, оставшееся после взрыва сверхновой звезды. При диаметре 20 километров это тело имеет массу сравнимую с солнечной, один грамм нейтронной звезды весил бы в земных условиях более 500 миллионов тонн! Такая огромная плотность возникает от вдавливания электронов в ядра, от чего они объединяются с протонами и образуют нейтроны. По сути, нейтронные звезды по свойствам, включая плотность и состав, очень похожи на атомные ядра. Но есть существенная разница: в ядрах нуклоны притягивает сильное взаимодействие, а в звездах – сила гравитации.
Что из себя представляет
Состав нейтронных звёзд
Состав этих объектов (по понятным причинам) изучен пока только в теории и математических расчетах. Однако, известно уже многое. Как и следует из названия, состоят они преимущественно из плотно упакованных нейтронов.
Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров, но в ней сосредоточено все её тепловое излучение. За атмосферой находится кора, состоящая из плотно упакованных ионов и электронов. В середине находится ядро, состоящее из нейтронов. Ближе к центру достигается максимальная плотность вещества, которая в 15 раз больше ядерной. Нейтронные звезды — самые плотные объекты во вселенной. Если попытаться и далее увеличивать плотность вещества произойдет коллапс в черную дыру, или образуется кварковая звезда.
Магнитное поле
Нейтронные звёзды имеют скорости вращения до 1000 оборотов в секунду. При этом электропроводящие плазма и ядерное вещество вырабатывают магнитные поля гигантских величин.
Для примера — магнитное поле Земли -1 гаусс, нейтронной звезды — 10 000 000 000 000 гаусс. Самое сильное поле, созданное человеком, будет в миллиарды раз слабее.
Типы нейтронных звезд
Пульсары
Это обобщающее название для всех нейтронных звезд. Пульсары имеют четко определенный период вращения, который не меняется очень долгое время. Благодаря этому свойству их прозвали «маяками вселенной»
Частицы узким потоком на очень высоких скоростях вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей вращения, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать.
Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров.
Магнетары
При рождении очень быстро крутящейся нейтронной звезды, общие вращение и конвекция создают громадное магнитное поле. Это происходит за счёт процесса «активного динамо». Это поле превышает величины полей обычных пульсаров в десятки тысяч раз. Действие динамо заканчивается через 10 – 20 секунд, и происходит охлаждение атмосферы звезды, но магнитное поле успевает возникнуть заново за этот срок. Оно неустойчиво, и быстрая смена его структуры порождает выброс гигантского количества энергии. Получается, что магнитное поле звезды разрывает её саму. Кандидатов на роль магнетаров в нашей галактике насчитывается около десятка. Появление его возможно из звезды, превосходящей минимум в 8 раз массу нашего Солнца. Размеры же их порядка 15 км в диаметре, при массе около одной солнечной. Но достаточного подтверждения существования магнетаров пока не получено.
Рентгеновские пульсары.
Они считаются другой фазой жизни магнетара и излучают исключительно в рентгеновском диапазоне. Излучение возникает в результате взрывов, имеющих определённый период.
Некоторые нейтронные звёзды появляются в двойных системах или же приобретают компаньона, захватив его в свое гравитационное поле. Такой компаньон будет отдавать своё вещество агрессивной соседке. Если компаньон нейтронной звезды по массе не меньше Солнца, то возможны интересные явления – барстеры. Это рентгеновские вспышки, продолжительностью в секунды или минуты. Но они способны усилить светимость звезды до 100 тыс. солнечных. Перенесённые с компаньона водород и гелий наслаиваются на поверхности барстера. Когда слой становится очень плотным и горячим, запускается термоядерная реакция. Мощность такого взрыва невероятна: на каждом квадратном сантиметре звезды выделяется мощь, эквивалентная взрыву всего земного ядерного потенциала.
При наличии компаньона-гиганта, вещество теряется им в виде звёздного ветра, а нейтронная звезда втягивает его своей гравитацией. Частицы летят по силовым линиям по направлению к магнитным полюсам. При несовпадении магнитной оси и оси вращения, яркость звезды будет переменной. Получается рентгеновский пульсар.
Миллисекундные пульсары.
Они тоже связаны с двойными системами и обладают самыми короткими периодами (меньше 30 миллисекунд). Вопреки ожиданиям, они оказываются не самыми молодыми, а достаточно старыми. Старая и медленная нейтронная звезда поглощает материю компаньона-гиганта. Падая на поверхность захватчика, материя придаёт ей вращательную энергию, и вращение звезды усиливается. Постепенно компаньон превратится в белого карлика, потеряв в массе.
Экзопланеты у нейтронных звезд
Первую экзопланету открыли при исследовании радиопульсара. Так как нейтронные звезды очень стабильны, возможно очень точно отслеживать находящиеся рядом планеты с массами, намного меньшими массы Юпитера.
Очень легко отыскалась планетная система у пульсара PSR 1257+12, удалённого от Солнца на 1000 световых лет. Рядом со звездой три планеты, имеющие массы 0,2, 4,3 и 3,6 масс Земли с периодами обращений в 25, 67 и 98 суток. Позже нашлась ещё одна планета с массой Сатурна и периодом обращения 170 лет. Также известен пульсар с планетой немного массивнее Юпитера.
На самом деле парадоксально, что возле пульсара существуют планеты. Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой, и та теряет основную часть своей массы. Оставшаяся часть уже не обладает достаточной гравитацией для удержания спутников. Вероятно, найденные планеты образовались уже после катаклизма.
Исследования
Число известных нейтронных звёзд около 1200. Из них 1000 считаются радиопульсарами, а остальные определены как рентгеновские источники. Изучать эти объекты невозможно, послав к ним какой-либо аппарат. В кораблях «Пионер» были отправлены послания разумным существам. И местоположение нашей Солнечной системы указано именно с ориентацией на ближайшие к Земле пульсары. От Солнца линиями показаны направления на эти пульсары и расстояния до них. А прерывистость линии обозначает период их обращения.
Ближайший к нам нейтронный сосед расположен в 450 световых годах. Это двойная система – нейтронная звезда и белый карлик, период её пульсации 5,75 миллисекунды.
Вряд ли возможно оказаться рядом с нейтронной звездой и остаться в живых. Можно только фантазировать на эту тему. Да и как представить выходящие за границы разума величины температуры, магнитного поля и давления? Но пульсары ещё помогут нам в освоении межзвёздного пространства. Любое, даже самое дальнее галактическое путешествие, окажется не гибельным, если будут работать стабильные маяки, видимые во всех уголках Вселенной.
Источник
Астрономы уточнили размер нейтронных звезд и усомнились в существовании их кварковых «близнецов»
Новости партнеров
Каков размер нейтронных звезд? Предыдущие оценки радиуса варьировались от восьми до шестнадцати километров. Астрофизикам из Университета Гете во Франкфурте (Германия) удалось определить размер нейтронных звезд с точностью до 1,5 километров с помощью сложного статистического подхода, основанного на измерении гравитационных волн. Отчет исследователей представлен в Physical Review Letters.
Нейтронные звезды – самые плотные объекты во Вселенной с массой, превышающей Солнце, но уплотненные в относительно маленькую сферу. Уже более 40 лет определение размеров нейтронных звезд является Святым Граалем ядерной физики, находка которого предоставит важную информацию о фундаментальном поведении ядерных плотностей.
Данные об обнаружении гравитационных волн от слияния нейтронных звезд (GW170817) вносят важный вклад в решение этой головоломки. В конце 2017 года профессор Лучиано Реццолла вместе со своими учениками Элиасом Мостом и Лукасом Вейхом уже использовали их, чтобы ответить на давний вопрос о максимальной массе, которую могут иметь нейтронные звезды перед тем, как коллапсировать в черную дыру. После первого важного результата эта же команда с помощью профессора Юргена Шаффнера-Белича приступила к установке более жестких ограничений на размер нейтронных звезд.
Суть в том, что уравнение состояния, которое описывает вещество внутри нейтронных звезд, неизвестно. Физики выбрали статистические методы для определения размеров нейтронных звезд в узких пределах. Они рассчитали более двух миллиардов теоретических моделей, решив для них уравнение Эйнштейна, и объединили этот большой набор данных с ограничениями, исходящими из обнаружения гравитационных волн GW170817.
В результате исследователи определили радиус типичной нейтронной звезды в пределах разницы 1,5 километров: он составляет от 12 до 13,5 километров, что может быть дополнительно уточнено будущими обнаружениями гравитационных волн.
«Тем не менее, у задачи могло быть не одно решение», – комментирует Юрген Шаффнер-Белич. Возможно, что при сверхвысоких плотностях вещество резко меняет свойства и приближается к так называемому «фазовому переходу». Это похоже на то, что происходит с водой, когда она замерзает и переходит из жидкого в твердое состояние. В случае нейтронных звезд этот переход предположительно превращает обычную материю в «кварковую», создавая звезды, которые будут иметь ту же массу, что и их «близнец» – нейтронная звезда, но они будут намного меньше и, следовательно, еще более компактны.
Хотя нет доказательств их существования, они могут быть правдоподобным решением, и исследователи из Франкфурта учли эту возможность, несмотря на дополнительные осложнения. Усилие оправдалось: звезды-близнецы оказались статистически маловероятны. Это важный вывод, который теперь позволяет ученым потенциально исключить существование этих очень компактных объектов. Будущие наблюдения гравитационных волн покажут, имеют ли нейтронные звезды экзотических близнецов.
Источник