Наряду с черными дырами, к самым экстремальным объектам, существующим во вселенной, относятся нейтронные звезды. Правда, до сих пор оставалось неизвестным, какой величины может достигать их масса. Но последние наблюдения за гравитационными волнами, скомбинированные с теоретическими моделями, позволили определить их верхнюю границу: 2,16-кратная масса Солнца.
Моделирование образующихся во время столкновения нейтронных звезд гравитационных волн. Иллюстрация AK Rezzolla, Goethe-Universität
Со времени открытия нейтронных звезд в 1960 годах ученые не переставали задавать себе вопрос: насколько тяжелыми могут быть эти массивные космические объекты? В отличие от черных дыр, они не могут прибавлять неограниченное количество массы; если вдруг определенная граница массы будет превышена, то во вселенной не останется физической силы, которая смогла бы противостоять гигантской гравитации.
И вот немецким астрофизикам впервые удалось рассчитать четкую верхнюю границу максимально возможной массы нейтронной звезды. С радиусом примерно в двенадцать километров и массой, вдвое превышающей массу Солнца, нейтронные звезды относятся к самым плотным объектам во вселенной. А их гравитационные поля сопоставимы с гравитационными полями черных дыр.
В то время как большинство нейтронных звезд имеют массу примерно в 1,4 солнечной массы, ученым известны и более крупные экземпляры, например, пульсар PSR J0348+0432, заключающий в себе 2,1 солнечных масс. Плотность таких звезд невероятно высока: для наглядности ее можно представить, как массу всех гор Гималаев, которые запихали в литровую банку. Но при этом существуют признаки того, что по достижении определенной максимальной массы нейтронные звезды вследствие коллапса превращаются в черные дыры, как только к такой максимальной массе добавляется хоть один нейтрон.
Профессор Лучиано Резолла из Франкфурта и его студенты Элиас Мост и Лукас Вай, похоже, нашли решение этой сорокалетней проблемы: в пределах точности в несколько процентов, максимальная масса не вращающихся нейтронных звезд не может превышать 2,16 масс Солнца.
Основой для получения таких результатов стали составленные несколько лет назад во Франкфурте расчеты «Вселенские связи». Существование «Вселенских связей» подразумевает, что все нейтронные звезды на практике «выглядят одинаково», так что их свойства и характеристики могут быть выражены безразмерными величинами. Такие величины исследователи скомбинировали с данными гравитационных волн и последующими электромагнитными сигналами, которые были получены за последний год в ходе наблюдения за двумя сплавляющимися нейтронными звездами в рамках эксперимента LIGO. Это значительно облегчило расчеты, так как они независимы от основополагающего уравнения состояния.
Уравнение состояния – это теоретическая модель для описания плотной материи внутри звезды, содержащее информацию о составах на различных глубинах в середине звезды. То есть существование таких универсальных связей стало важным фактором для того, чтобы определить новую максимальную массу. Этот результат представляет собой хороший пример гармоничности теоретических и экспериментальных исследований.
«Прекрасным в теоретических исследованиях является то, что они могут позволять себе прогнозы. Но теория не может обойтись и без экспериментов, чтобы минимизировать некоторые неопределенности», - говорит Резолла. - «И именно поэтому настолько удивительно, что наблюдения единственной коллизии нейтронных звезд на расстоянии миллионов световых лет в сочетании с теоретически рассчитанными универсальными связями дали нам возможность разгадать загадку, над которой бились десятилетия».
Через несколько дней после публикации группой Резоллы результатов в издании Astrophysical Journal Letters правильность исследований подтвердили и рабочие группы из Японии и США, хотя они использовали в работе совершенно другие методики. Очень вероятно, что в будущем благодаря гравитационным волнам можно будет наблюдать больше таких событий сплавления, причем как в форме самих гравитационных волн, так и в традиционных электромагнитных диапазонах частот. Благодаря этому, будут уточняться возможные погрешности в отношении максимальной массы, что поможет лучше понять поведение материи в экстремальных условиях. Моделироваться же такие условия будут в современных ускорителях частиц, как CERN в Швейцарии или FAIR в Германии.
0
