Слишком молод, чтобы быть таким крутым: уроки трех нейтронных звезд

Космический корабль XMM-Newton Европейского космического агентства и космический корабль NASA Chandra обнаружили три молодые нейтронные звезды, необычно холодные для своего возраста. Сравнивая их свойства с различными моделями нейтронных звезд, ученые пришли к выводу, что низкие температуры чудаков дисквалифицируют около 75% известных моделей. Это важный шаг на пути к открытию единого «уравнения состояния» нейтронной звезды, которое управляет ими всеми и имеет важные последствия для фундаментальных законов Вселенной.

Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.

Материя доведена до предела

После черных дыр звездной массы нейтронные звезды являются самыми плотными объектами во Вселенной. Каждая нейтронная звезда представляет собой сжатое ядро ​​гигантской звезды, оставшееся после взрыва сверхновой. Когда у нее заканчивается топливо, ядро ​​звезды взрывается под действием силы тяжести, а ее внешние слои выбрасываются в космос.

Материя в центре нейтронной звезды сжата настолько, что ученые до сих пор не знают, какую форму она принимает. Нейтронные звезды получили свое название из-за того, что даже атомы разрушаются под этим огромным давлением: электроны сливаются с атомными ядрами и превращают протоны в нейтроны. Но все может стать еще более странным, потому что экстремальная температура и давление могут стабилизировать более экзотические частицы, которые больше нигде не выживают, или объединить частицы в бурлящий суп из их кварков.

То, что происходит внутри нейтронной звезды, описывается так называемым «уравнением состояния» — теоретической моделью, описывающей, какие физические процессы могут происходить внутри нейтронной звезды. Проблема в том, что ученые еще не знают, какая из сотен возможных моделей уравнений состояния верна. Хотя поведение отдельных нейтронных звезд может зависеть от таких свойств, как их масса или скорость вращения, все нейтронные звезды должны подчиняться одному и тому же уравнению состояния.

Слишком холодно

Анализируя данные миссий XMM-Newton Европейского космического агентства и миссии NASA Chandra, ученые обнаружили три исключительно молодые и холодные нейтронные звезды, которые в 10–100 раз холоднее своих собратьев того же возраста. Сравнивая их свойства со скоростями охлаждения, предсказанными различными моделями, исследователи пришли к выводу, что существование этих трех чудаков исключает большинство предлагаемых уравнений состояния.

«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 таким образом исключить значительную часть возможных моделей», — объясняет астрофизик Нанда Ри, чья исследовательская группа в Институте космических наук (ICE-CSIC) и Институте космоса Исследование Каталонии (IEEC) возглавило расследование.

Открытие истинного уравнения состояния нейтронных звезд также имеет важные последствия для фундаментальных законов Вселенной. Как известно, физики пока не знают, как объединить общую теорию относительности (которая описывает эффекты гравитации в больших масштабах) с квантовой механикой (которая описывает то, что происходит на уровне частиц). Нейтронные звезды — лучший полигон для этого, потому что их плотность и гравитация намного превосходят все, что мы можем создать на Земле.

Объединение усилий: четыре шага к открытию

Три странные нейтронные звезды настолько холодны, что слишком тусклы для большинства рентгеновских обсерваторий. «Превосходная чувствительность XMM-Ньютона и Чандры позволила не только обнаружить эти нейтронные звезды, но и собрать достаточно света, чтобы определить их температуру и другие свойства», — говорит Камилла Диез, научный сотрудник ЕКА, работающая в XMM. -Данные Ньютона работают.

Однако чувствительные измерения были лишь первым шагом к выводу о том, что означают эти чудаки для уравнения состояния нейтронных звезд. С этой целью исследовательская группа Нанды в ICE-CSIC объединила взаимодополняющий опыт Алессио Марино, Клары Деман и Константиноса Ковлакаса.

Алессио сыграл ведущую роль в определении физических свойств нейтронных звезд. Команда смогла определить температуру нейтронных звезд по рентгеновским лучам, испускаемым их поверхностями, а размер и скорость окружающих их остатков сверхновых обеспечили точное указание на их возраст.

• 

• 

Затем Клара возглавила расчет «кривых охлаждения» нейтронной звезды для уравнений состояния, включающих различные механизмы охлаждения. Для этого необходимо записать то, что каждая модель предсказывает об изменении светимости нейтронной звезды – свойства, напрямую связанного с ее температурой – с течением времени.

Форма этих кривых зависит от нескольких различных свойств нейтронной звезды, не все из которых можно точно определить путем наблюдений. По этой причине команда рассчитала кривые охлаждения для диапазона возможных масс нейтронных звезд и напряженности магнитного поля.

Статистический анализ, проведенный Константиносом, наконец, собрал все воедино. Машинное обучение использовалось, чтобы определить, насколько хорошо смоделированные кривые охлаждения соответствуют свойствам чудаков. Оказалось, что без механизма быстрого охлаждения уравнения состояния вообще не имеют шансов согласоваться с данными.

«Исследования нейтронных звезд затрагивают многие научные дисциплины, от физики элементарных частиц до гравитационных волн. Успех этой работы показывает, насколько фундаментальна командная работа в продвижении нашего понимания Вселенной», — заключает Нанда.

Информация от: Европейским космическим агентством