За последние несколько месяцев, Вселенная сегодня исследовал множество научных дисциплин, включая ударные кратеры, поверхности планет, экзопланеты, астробиологию, физику Солнца, кометы, атмосферы планет, планетарную геофизику, космохимию, метеориты, радиоастрономию, экстремофилы, органическую химию, черные дыры, криовулканизм, планетарную защиту, темная материя и сверхновые, и то, как каждая из этих уникальных дисциплин продолжает преподавать, посвящено космосу и нашему месту в его необъятности.
Здесь, Вселенная сегодня обсуждает область нейтронных звезд с доктором Стюартом Шапиро, профессором физики и астрономии и старшим научным сотрудником NCSA в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне, о важности изучения нейтронных звезд, преимуществах и проблемах, самом интригующем аспекте нейтронных звезд, который он изучал на протяжении всей своей карьеры, и любых советах, которые он может дать будущим студентам, желающим продолжить изучение нейтронных звезд. Итак, в чем важность изучения нейтронных звезд?
«Нейтронные звезды являются фундаментальными составляющими Вселенной», — говорит доктор Шапиро. Вселенная сегодня. «Они обнаружены по всей нашей Галактике как изолированные радиопульсары и как источники рентгеновского излучения, аккрецирующие газ от обычных звезд, которые служат их двойными компаньонами. Нейтронные звезды также наблюдаются в далеких галактиках как излучатели гравитационных волн и гамма-излучения во время слияния двух нейтронных звезд в двойной системе. Внутренняя часть нейтронных звезд имеет плотность атомного ядра, примерно на 14 порядков больше, чем типичные материалы на Земле. Такие высокие ядерные плотности не могут быть достигнуты в лаборатории на Земле, нейтронные звезды представляют собой эффективную лабораторию для изучения материи и законов физики при экстремальных плотностях».
Потенциальное существование нейтронных звезд впервые было предложено Фрицем Цвикки и Вальтером Бааде в 1933 году — что также было менее чем через два года после официального открытия нейтрона — на заседании Американского физического общества. Целью этих дискуссий было выяснить, как образовались сверхновые, но вместо этого они пришли к выводу, что нейтронные звезды возникли из сверхновых, причем исходная звезда стала сверхплотной с нейтронами после взрыва.
Однако исследовательский интерес к нейтронным звездам возник лишь несколько десятилетий спустя, в 1967 году, когда ученые пришли к выводу, что они слишком малы, чтобы их можно было наблюдать с помощью имеющихся технологий, и только после того, как было обнаружено, что нейтронные звезды демонстрируют большие магнитные поля из-за их быстрого скорости вращения. С тех пор исследования нейтронных звезд постепенно расширялись, включая использование нейтронных звезд для первого обнаружения гравитационных волн в 2017 году. Поэтому, учитывая их уникальные характеристики, каковы некоторые преимущества и проблемы изучения нейтронных звезд?
Доктор Шапиро рассказывает Вселенная сегодня«Мы не можем сталкивать нейтронные звезды в ускорителе, как мы это делаем, скажем, с протонами и электронами высоких энергий, чтобы изучать элементарные частицы. Но природа предоставляет нам столкновения нейтронных звезд, когда сталкиваются двойные нейтронные звезды. Мы уже обнаружили пару столкновений, когда LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] наблюдали излучаемые гравитационные волны, и в ближайшем будущем ожидаются новые обнаружения».
Учитывая их экстремальную плотность, это означает, что размер нейтронных звезд невероятно мал, в среднем всего 20 километров (12 миль) в диаметре, или размер небольшого города, с массой в 1,4 раза больше Солнца, что означает, что одна чайная ложка нейтронной звезды весит примерно один миллиард тонн на Земле. Отныне доктор Шапиро отмечает, что эти результаты чрезвычайно трудно воспроизвести в лабораторных условиях. Кроме того, было обнаружено, что их скорость вращения достигает 716 оборотов в секунду, или примерно 0,24 скорости света, если наблюдатель стоит на ее поверхности, с неподтвержденным открытием, указывающим на нейтронную звезду, показывающую 1122 оборота в секунду. Существуют также различные типы нейтронных звезд, включая пульсары, о которых упоминал доктор Шапиро, и магнетары, которые являются сильно намагниченными нейтронными звездами.
Хотя нейтронные звезды не получают такой большой известности, как другие звезды, в настоящее время предполагается, что в настоящее время в Галактике Млечный Путь существует около одного миллиарда нейтронных звезд. Это может показаться большим числом, однако, по оценкам, в Млечной Галактике насчитывается около 100 миллиардов звезд, а это означает, что нейтронные звезды потенциально могут составлять лишь один процент звездного населения нашей галактики. Итак, какие наиболее интригующие аспекты нейтронных звезд изучал доктор Шапиро на протяжении всей своей карьеры?
Доктор Шапиро рассказывает Вселенная сегодня«Одним из свойств, которые открыли я и мои коллеги, была способность вращения поддерживать нейтронные звезды с большей массой, чем невращающиеся сферические звезды. Хорошо известно, что невращающиеся нейтронные звезды имеют максимальную массу в пару раз больше массы Солнца, точное значение зависит от уравнения состояния, т. е. точной природы закона давления для ядерной материи, который поддерживает звезду против гравитационного коллапса».
Доктор Шапиро продолжает: «Однако мы обнаружили, что если звезда вращается, то она может поддерживать большую массу. Максимальная масса увеличивается примерно на 20 процентов, если она вращается как твердое тело (т. е. равномерное вращение), но может увеличиться гораздо больше, если она вращается дифференциально, с очень высокой скоростью вращения в центре и уменьшающейся к поверхности. Звезды, вращающиеся равномерно выше предела невращающейся массы, мы назвали «сверхмассивными», в то время как звезды, вращающиеся дифференциально выше предела сверхмассивной массы, мы назвали «гипермассивными». Сверхмассивные и гипермассивные звезды, вероятно, образуются при слиянии двойных нейтронных звезд, по крайней мере, до тех пор, пока они не потеряют свой угловой момент (т. е. спин) посредством гравитационного излучения и магнитных полей».
Подобно черным дырам или другим небесным объектам, которые мы редко наблюдаем напрямую, изучение нейтронных звезд включает в себя множество теоретических исследований, в которых исследователи используют компьютерные модели для моделирования своих гипотез и используют мощные инструменты, такие как LIGO, для подтверждения этих гипотез в будущем. Таким образом, изучение нейтронных звезд включает в себя несколько научных основ, включая теоретическую астрофизику общей теории относительности, вычислительную астрофизику, информатику и т. д. Кроме того, одним из захватывающих аспектов науки является создание новых терминов, поскольку термины «сверхмассивный» и «гипермассивный» были придуманы доктором Шапиро и его коллегами. Поэтому, какой совет может дать доктор Шапиро будущим студентам, желающим продолжить изучение нейтронных звезд?
Доктор Шапиро рассказывает Вселенная сегодня«Нейтронные звезды обладают свойствами, которые имеют дело со всеми четырьмя фундаментальными силами природы: гравитацией, электромагнетизмом, сильными и слабыми взаимодействиями частиц. Таким образом, чтобы лучше всего изучать нейтронные звезды, следует приобрести прочную и широкую базу в области физики. Поскольку уравнения, описывающие нейтронные звезды в различных состояниях, часто очень сложны, их необходимо решать численно на суперкомпьютерах. Поэтому начинающие студенты должны также получить хорошую базу в области вычислительной физики, если они хотят работать на переднем крае».
Как нейтронные звезды расскажут нам о нашем месте во Вселенной в ближайшие годы и десятилетия? Только время покажет, и вот почему мы — наука!
Как всегда, продолжайте заниматься наукой и смотреть вверх!
