На расстоянии около 40 000 световых лет от нас у быстро вращающегося объекта есть спутник, который сбивает с толку астрономов. Она тяжелее самых тяжелых нейтронных звезд, но в то же время легче самых легких черных дыр. Измерения помещают его в так называемый разрыв масс черной дыры, наблюдаемый разрыв в звездном населении между двумя и пятью солнечными массами. Кажется, не существует нейтронных звезд с массой более двух солнечных и черных дыр с массой менее пяти солнечных.
Астрономы, работающие в коллаборации Transients and Pulsars совместно с MeerKAT (TRAPUM), обнаружили объект под названием PSR J0514-4002E в шаровом скоплении под названием NGC 1851. По словам авторов новой исследовательской статьи в журнале Science, это «эксцентричный двойной миллисекундный пульсар». Общая масса объекта-спутника пульсара составляет 3,887 ± 0,004 массы Солнца, что помещает его прямо в промежуток между массами черной дыры.
Что это такое?
Новая исследовательская статья называется «Пульсар в двойной системе с компактным объектом в зазоре масс между нейтронными звездами и черными дырами». Ведущий автор — Юэн Барр из Института радиоастрономии Макса Планка. Оно опубликовано в журнале Science.
Барр и его коллеги обнаружили объект, вращающийся вокруг быстро вращающегося миллисекундного пульсара. Пульсар – это вращающаяся нейтронная звезда, образовавшаяся в результате взрыва сверхновой. Пульсары излучают лучи электромагнитной энергии со своих полюсов во время вращения. Если ориентация между Землей и пульсаром правильная, мы видим вспышки пульсара. Вот почему их называют космическими маяками.
Миллисекундный пульсар имеет период вращения от 1 до 10 миллисекунд. Это означает, что он вращается от 60 000 до 6 000 раз в минуту.
Пульсары являются мощным инструментом из-за их быстрого и предсказуемого вращения. Метод синхронизации пульсаров измеряет импульсы с точностью, и любые изменения отмечаются. Эти изменения указывают на наличие другого тела, его массу и расстояние от пульсара.
«Думайте об этом как о возможности вывести почти идеальный секундомер на орбиту звезды, находящейся на расстоянии почти 40 000 световых лет от нас, а затем иметь возможность рассчитывать время этих орбит с точностью до микросекунды», — сказал ведущий автор Барр.
В этом исследовании астрономы использовали время пульсара, чтобы обнаружить объект в бинарном отношении к нему. Но он не мог сказать им, что это такое. Может ли это быть двойная система, содержащая пульсар и черную дыру? Или это может быть пульсар и нейтронная звезда? Может ли это быть что-то еще?
Астрономам так и не удалось найти систему, содержащую пульсар и черную дыру, но им очень хотелось бы это сделать. Эти пары открывают новый способ изучения черных дыр, а также могут послужить новым тестом общей теории относительности Эйнштейна. Если компаньон — это не маленькая черная дыра, а тяжелая нейтронная звезда, то это имеет научную ценность по другой причине.
«Любая возможность природы спутника интересна», — сказал Бен Стэпперс, профессор астрофизики Манчестерского университета и один из соавторов. «Система пульсар-черная дыра станет важной целью для проверки теорий гравитации, а тяжелая нейтронная звезда обеспечит новое понимание ядерной физики при очень высоких плотностях».
Нейтронные звезды — чрезвычайно плотные компактные объекты, которые остаются после коллапса массивной звезды и взрыва сверхновой. Нейтронные звезды могут коллапсировать еще больше, если они наберут массу в результате взаимодействия с другим звездным объектом. Но астрофизики не знают, во что превращаются нейтронные звезды после коллапса. Они могут стать черными дырами.
Именно здесь в игру вступает разница масс черной дыры.
Ученые полагают, что для коллапса нейтронной звезды она должна иметь массу примерно в 2,2 раза больше Солнца. Это порог, необходимый для того, чтобы произошел коллапс. Но теория и наблюдения показывают, что эти коллапсирующие нейтронные звезды могут создать черные дыры, которые в пять раз массивнее Солнца. Это приводит к возникновению разницы масс черной дыры.
Астрофизики не уверены в природе объектов, находящихся в разрыве между массами. Как показывают эти наблюдения, там что-то есть, но природу объекта различить трудно. Каким бы ни был компаньон, авторы полагают, что он возник в результате слияния двух нейтронных звезд. «Мы предполагаем, что компаньон образовался в результате слияния двух более ранних NS», — пишут они.
Если спутником является массивная нейтронная звезда, то это может быть пульсар. Но авторы не смогли обнаружить никаких пульсаций. «Мы искали радиопульсации от спутника, предполагая полный допустимый диапазон отношений масс, но не обнаружили ни одного», — объясняют они.
Происхождение двойного объекта могло бы объяснить, что это за объект, и у астрофизиков есть подробные модели двойной эволюции. Эти модели указывают на то, что массоперенос каким-то образом был задействован.
«Сочетание расположения в плотном шаровом скоплении (где часто происходят обмены звездами), сильно эксцентричной орбиты, быстрого вращения пульсара и большой массы-компаньона
указывает на то, что система PSR J0514?4002E является продуктом вторичного обмена», — объясняют исследователи в своей статье.
Авторы полагают, что более ранний спутник меньшей массы передал массу пульсару. Подобные взаимодействия более вероятны в шаровом скоплении, подобном тому, в котором расположен двойной объект, где звезды плотно упакованы. Пульсар также вращается очень быстро, что является еще одним признаком того, что он получил массу от спутника. Если это так, то каким-то образом текущий объект-компаньон заменил предыдущий.
«Однако возможна и более сложная эволюция с множественными обменными встречами», — объясняют исследователи. «Поэтому мы не можем сделать вывод о природе компаньона на основе моделей двойной эволюции».
На данный момент природа объекта остается под вопросом. «Поэтому мы не можем определить, является ли компаньон массивной НЗ или маломассивной ЧД», — пишут авторы. Но однажды они могут это сделать.
«Мы еще не закончили с этой системой», — сказал соавтор Арунима Дутта из MPIA. «Раскрытие истинной природы компаньона станет поворотным моментом в нашем понимании нейтронных звезд, черных дыр и всего остального, что может скрываться в массе черной дыры».
