Астрономы с помощью телескопа Green Bank обнаружили самую массивную нейтронную звезду из всех известных ранее - быстро вращающийся пульсар на расстоянии около 4600 световых лет от нас. Этот объект-рекордсмен находится буквально на грани существования, приближаясь к теоретически максимально возможной для нейтронной звезды массе.
Художественное представление импульса массивной нейтронной звезды, который прибывает с задержкой из-за прохождения белого карлика между нейтронной звездой и Землей. © B. Saxton, NRAO / AUI / NSF
Нейтронные звезды - это сжатые остатки звезд, которые уже взорвались как сверхновые. Это самые плотные "нормальные" объекты в известной вселенной. Плотнее них лишь черные дыры, но эти космические монстры под определение нормальных не попадают. Кусочек вещества нейтронной звезды размером с кубик сахарного рафинада будет весить на Земле 100 миллионов тонн - примерно столько же, сколько весят все люди вместе взятые.
Хотя астрономы и астрофизики изучают эти объекты уже в течение десятилетий, все еще существует множество загадок, касающихся внутренней структуры нейтронных звезд. Станут ли сжатые нейтроны избыточными и потекут свободно? Расщепляются ли они на «суп» из субатомных кварков или на другие экзотические частицы? Где находится переломный момент, когда гравитация побеждает материю и образует черную дыру?
Группа астрономов нашла некоторые ответы с помощью телескопа Green Bank (GBT) Национального научного фонда США (NSF).
Исследователи - члены «Центра границ физики NANOGrav» - обнаружили, что быстро вращающийся миллисекундный пульсар, имеющий обозначение J0740 6620, является самой массивной из когда-либо измеренных нейтронных звезд. Она объединяет в себе 2,17 солнечных масс в сфере диаметром всего 30 километров. Это измерение показывает приближение к пределу того, когда массивный и сверхкомпактный объект может еще существовать, не коллапсируя в черную дыру. Недавние исследования LIGO гравитационных волн от сталкивающихся нейтронных звезд показывают, что 2,17 массы Солнца - это очень близкое значение этого предела.
«Нейтронные звезды настолько же озадачивают, насколько и интригуют», - говорят Санкфул Кромарти, аспирантка Университета Вирджинии и научный сотрудник Гроте Ребер из Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния. - «Эти объекты размером с небольшой город в основном похожи на гигантские атомные ядра. Они настолько массивны, что внутри обретают невероятные качества. Определение допускаемой физикой и природой максимальной массы может рассказать нам много нового об этой пока что неизведанной области астрофизики».
Пульсары получили свое название по причине двух лучей радиоволн, испускаемых их магнитными полюсами. Эти лучи похожи на луч маяка, пробивающиеся сквозь вселенную. При этом некоторые из них вращаются со скоростью сотен раз в секунду. Поскольку пульсары вращаются с такими феноменальными скоростями и при этом с неизменным постоянством, астрономы могут использовать их в качестве космического эквивалента атомных часов. Такой точный временной такт помогает астрономам исследовать природу пространства-времени, измерять массы звездных объектов и совершенствовать понимание общей теории относительности.
В случае этой двойной звездной системы, которую мы с стороны Земли видим почти сбоку, такая космическая точность предоставила астрономам возможность рассчитать массы обеих звезд.
Когда «тикающий» пульсар проходит позади своего спутника (белого карлика), возникает небольшая задержка во времени прибытия сигнала, порядка десяти миллионных долей секунды. Этот феномен обозначается термином «задержка Шапиро». Короче говоря, гравитация белого карлика слегка искажает пространство вокруг него в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна. Такая кривизна означает, что импульсы вращающейся нейтронной звезды должны перемещаться немного дальше, поскольку они пробиваются сквозь пространственно-временные искажения белого карлика.
Астрономы могут использовать значение этой задержки, чтобы вычислить массу белого карлика. А как только становится известной масса одного из вращающихся объектов, процесс точного определения массы другого объекта уже выглядит относительно простым.
Кромарти является ведущим автором исследования, предварительно размещенного для публикации в журнале Nature Astronomer. Наблюдения с помощью телескопа GBT были связаны с ее докторской диссертацией. А ее кандидатская диссертация состояла в том, что наблюдение этой системы в двух конкретных точках на ее орбитах позволяет точно рассчитать массу нейтронной звезды.
«Выравнивание этой бинарной системы создало фантастическую космическую лабораторию», - сказал Скотт Рэнсом, астроном NRAO и соавтор исследования. - «Нейтронные звезды достигают своего переломного момента, когда их внутренняя плотность становится настолько экстремальной, что гравитационная сила превышает даже способность нейтрона противостоять дальнейшему коллапсу. И каждая очередная «самая массивная» нейтронная звезда, которую мы обнаруживаем, приближает нас к определению этой переломной точки и помогает нам понять физику вещества при этих поражающих воображение плотностях».
-1
