Нейтронные звезды названы так потому, что в простейших моделях они состоят из нейтронов. Они образуются, когда ядро большой звезды разрушается, и вес гравитации заставляет атомы коллапсировать. Электроны сжимаются вместе с протонами, так что ядро становится плотным морем нейтронов. Но теперь мы знаем, что нейтронные звезды — это не просто гравитационно связанные нейтроны. Во-первых, нейтроны состоят из кварков, которые имеют свои собственные взаимодействия как внутри нейтронов, так и между ними. Эти взаимодействия чрезвычайно сложны, поэтому детали внутренней части нейтронной звезды мы до конца не понимаем.
Объемные свойства нейтронной материи лучше всего описываются уравнением состояния Толмана-Оппенгеймера-Волкова (TOV). Исходя из этого, верхний предел массы нейтронной звезды должен составлять от 2,2 до 2,6 солнечных масс, что, по-видимому, согласуется с наблюдениями. Уравнение TOV также предполагает, что нейтроны внутри нейтронной звезды остаются нейтронами. В атомных ядрах не может быть моря свободных кварков из-за природы сильного ядерного взаимодействия, поэтому это предположение кажется разумным. Но некоторые физики и астрономы утверждают, что в плотном сердцевине нейтронной звезды кварки могут вырваться на свободу и создать кварковую звезду. Некоторые даже предположили, что кварки внутри нейтронной звезды могут взаимодействовать настолько сильно, что появляются странные кварки, что делает их странными кварковыми звездами.
Один из способов изучить эти идеи — посмотреть на пульсары. Поскольку пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды, магнитный полюс которых движется в нашем направлении, мы можем измерить скорость вращения, хронометрируя радиоимпульсы от пульсара. Итак, если пульсар вспыхивает каждые три секунды, мы знаем, что именно столько времени требуется нейтронной звезде, чтобы совершить один оборот. Благодаря пульсарам мы впервые узнали, что нейтронные звезды, ну, нейтрон звезды, потому что скорость вращения объекта говорит вам о минимальной плотности, которую должен иметь объект.
Вы можете думать об этом как о детской карусели. Если вы позволите нескольким детям залезть на карусель, а затем очень быстро раскрутите карусель, вы сможете увидеть, как дети улетают один за другим, потеряв хватку. Это одна из причин, почему карусели на детских площадках в наши дни встречаются так редко. Поскольку звезды удерживаются вместе под действием силы тяжести, существует верхний предел скорости вращения звезды. Еще быстрее, и гравитация потеряет свою силу, и звезда разлетится на части. Поэтому, когда мы измеряем вращение пульсара, мы знаем, что оно должно быть ниже верхнего предела, известного как частота Кеплера. Поскольку поверхностная гравитация звезды зависит от ее плотности, частота вращения говорит нам о минимальной плотности звезды. Когда астрономы впервые обнаружили пульсары, вращающиеся несколько раз в секунду, они знали, что плотность пульсара больше, чем у белого карлика, поэтому это должна была быть нейтронная звезда.
Есть пульсары, которые имеют очень высокие частоты вращения. Самые быстрые наблюдаемые пульсары, известные как миллисекундные пульсары, могут иметь частоту выше 700 Гц. Это довольно удивительно, если подумать. Объект, масса которого почти вдвое превышает массу Солнца, но диаметр всего несколько километров и совершает сотни оборотов в секунду. Миллисекундные пульсары вращаются так быстро, что даже не имеют сферической формы. Они выпячиваются вокруг экватора и превращаются в сплюснутые сфероиды. Это означает, что плотность в их полярных регионах должна быть намного выше, чем вблизи экватора. Это поднимает вопрос о том, могут ли нейтроны в полярных регионах претерпевать фазовый переход в кварковую материю.
Чтобы изучить эту идею, команда изучила различные модели нейтронных звезд. Они смоделировали уравнение состояния традиционных нейтронных звезд и сравнили их с так называемыми гибридными звездами, внутренняя часть которых представляет собой смесь нейтронов и кварковой материи. Исходя из этого, они рассчитали частоту Кеплера по отношению к общей массе звезды. Они обнаружили, что, хотя все наблюдаемые в настоящее время миллисекундные пульсары можно описать традиционной моделью, гибридная модель лучше подходит для самых быстрых пульсаров. Они также подсчитали, что гибридные звезды поднимут верхний предел ближе к 1000 оборотов в секунду. Поэтому, если мы обнаружим пульсары в диапазоне 800 Гц или выше, мы будем знать, что они, вероятно, содержат кварковую материю в своих ядрах.
Другой способ проверить модель гибридной нейтронной звезды — найти больше миллисекундных пульсаров с широким диапазоном масс. Это позволило бы нам посмотреть, как частота вращения меняется в зависимости от массы на верхнем пределе, чтобы увидеть, согласуются ли частоты Кеплера в большей степени с гибридной или традиционной моделью.
Ссылка: Гертлейн, Кристоф и др. «Самые быстро вращающиеся миллисекундные пульсары: индикаторы кварковой материи в нейтронных звездах?» Препринт arXiv arXiv:2412.07758 (2024).
