После черных дыр нейтронные звезды являются одними из самых плотных объектов во Вселенной. Подобно черным дырам, нейтронные звезды — это то, что остается, когда звезда достигает конца своего жизненного цикла и подвергается гравитационному коллапсу. Это создает мощный взрыв (сверхновую), при котором звезда сбрасывает свои внешние слои, оставляя после себя сверхсжатый звездный остаток. Фактически, учёные предполагают, что материя в центре звезды настолько сжата, что даже атомы коллапсируют, а электроны сливаются с протонами, образуя нейтроны.
Традиционно ученые полагаются на «уравнение состояния» — теоретическую модель, описывающую состояние материи при определенных физических условиях, — чтобы понять, какие физические процессы могут происходить внутри нейтронной звезды. Однако когда группа ученых из Национального исследовательского совета Испании (CSIC) исследовала три исключительно молодые нейтронные звезды, они обнаружили, что они в 10-100 раз холоднее, чем другие нейтронные звезды того же возраста. Из этого исследователи пришли к выводу, что эти три звезды не согласуются с большинством предложенных уравнений состояния.
В состав команды вошли астрофизики из Института космических наук (ICE-CSIS) в Барселоне, Института исследований Каталонии (IEEC) и факультета прикладной физики Университета Алаканта. Алессио Марино, постдокторант в области астрофизики в ICE и IEEC, был ведущим автором статьи группы («Ограничения на уравнение состояния плотной материи от молодых и холодных изолированных нейтронных звезд»), которая была недавно опубликована в журнале Естественная астрономия.
Хотя астрономы до сих пор не уверены, какая модель уравнения состояния верна для нейтронных звезд, законы физики диктуют, что все нейтронные звезды должны подчиняться одной и той же модели. Кроме того, холодная природа нейтронных звезд — надежный способ определить их возраст: чем они старше, тем холоднее они становятся. Хотя невидимый свет трудно изучать, его вращающаяся природа и магнитные поля (которые направляют энергию к магнитным полюсам) производят рентгеновские импульсы, которые можно наблюдать.
Проанализировав данные миссий XMM-Newton Европейского космического агентства и миссии NASA Chandra, команда обнаружила свидетельства существования трех нейтронных звезд. Чрезвычайная чувствительность этих телескопов позволила команде не только обнаружить нейтронные звезды, но и собрать достаточно света, чтобы определить их температуру и другие свойства. По словам астрофизика Нанды Ри, чья исследовательская группа в ICE-CSIC и IEEC возглавила исследование, результаты оказались очень неожиданными:
«Молодой возраст и низкая температура поверхности этих трех нейтронных звезд можно объяснить только механизмом быстрого охлаждения. Поскольку усиление охлаждения может быть вызвано только определенными уравнениями состояния, мы можем исключить значительную часть возможных моделей».
«Исследования нейтронных звезд затрагивают многие научные дисциплины, от физики элементарных частиц до гравитационных волн. Успех этой работы показывает, насколько важна командная работа для нашего понимания Вселенной».
С этой целью Ри и ее коллеги – Алессио Марино, Клара Деман и Константинос Ковлакас – воспользовались своим совместным и взаимодополняющим опытом. Марино, научный сотрудник ICE-CSIS и IEEC, возглавил работу команды по определению других физических свойств нейтронных звезд. Помимо определения их температуры на основе испускаемых рентгеновских лучей, размер и скорость окружающих остатков сверхновых предоставили точное указание на их возраст.
Клара, научный сотрудник Университета Аликанте, затем рассчитала «кривые охлаждения» нейтронных звезд на основе различных масс и напряженности магнитного поля. При этом она записала, что каждое «уравнение модели состояния» предсказывает изменение температуры нейтронной звезды (на что указывает ее яркость) с течением времени. Совсем недавно Ковлакас, научный сотрудник ICE-CSIC и IEEC, провел статистический анализ, в котором использовалось машинное обучение для сопоставления смоделированных кривых охлаждения со свойствами трех нейтронных звезд.
Эти симуляции показали, что без механизма быстрого охлаждения ни одно из уравнений состояния не согласовывалось с данными. Кроме того, команда пришла к выводу, что свойства этих звезд не соответствуют примерно 75% известных моделей нейтронных звезд. Сужая диапазон возможностей, астрономы становятся на шаг ближе к пониманию того, какое уравнение состояния нейтронной звезды управляет ими всеми. Это также может иметь важные последствия для понимания того, как фундаментальные законы Вселенной – общая теория относительности и квантовая механика – сочетаются друг с другом.
Это делает нейтронные звезды идеальной лабораторией для проверки законов физики, поскольку они обладают плотностью и гравитационными силами, намного превосходящими все, что можно воспроизвести на Земле. Подобно черным дырам, эти объекты являются той точкой, где законы физики начинают рушиться и где часто могут быть сделаны самые глубокие прорывы в нашем понимании этих законов!
Дальнейшая информация: ЕКА, Естественная астрономия
