Ученые разработали теорию, которая объясняет аномально быстрое снижение температуры самой молодой нейтронной звезды в нашей Галактике. За два десятилетия наблюдений температура поверхности этой звезды, расположенной в туманности Кассиопея А и имеющей возраст 345 лет, понизилась на несколько процентов, что значительно превышает прогнозы, основанные на общепринятой теории. Молодые нейтронные звезды теряют тепло изнутри посредством испускания нейтрино — легких частиц, образующихся в их недрах и способных покидать звезду, унося энергию. Примерно 15 лет назад исследователи предположили, что ускоренное снижение температуры поверхности нейтронной звезды указывает на усиление внутреннего нейтринного охлаждения, связанного с возникновением сверхтекучести в сверхплотном ядре звезды, однако впоследствии стало очевидным, что такое объяснение трудно совместить с имеющимися данными. Новая модель связывает ускоренное остывание с необычайно интенсивными нейтринными реакциями, протекающими вблизи центра звезды даже при отсутствии сверхтекучести. Они оперативно охлаждают центральную область, что и проявляется в остывании поверхности звезды, но не сразу, а с задержкой в сотни лет. Понимание механизма остывания нейтронных звезд должно помочь в определении неизвестных характеристик сверхплотного вещества в их ядрах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of High Energy Astrophysics.
Нейтронные звезды – одни из самых необычных звездных объектов. Их масса сопоставима с массой Солнца, однако радиус составляет всего около 10 километров, что в 70 000 раз меньше солнечного. Плотность вещества внутри этих звезд значительно превышает плотность материи в атомных ядрах. Подобное вещество может демонстрировать характеристики, напоминающие сверхтекучесть и сверхпроводимость, свойственные земным материалам, но при существенно более высоких температурах. Данная сверхтекучесть способна усиливать охлаждение посредством нейтрино, хотя ускорение возможно и без нее благодаря активации интенсивных нейтринных реакций.
Обычные звезды в основном состоят из водорода, гелия и других легких элементов и в течение длительного времени поддерживают высокую температуру благодаря ядерным реакциям, происходящим с этими веществами. Однако, когда запасы ядерного топлива исчерпываются, звезды теряют свою стабильность и прекращают существование в привычной форме. Если масса звезды достаточно велика, то, потеряв устойчивость, она способна взорваться, что выражается во вспышке сверхновой. После такого взрыва в космическом пространстве остается вещество, которое было разбросано, – остаток сверхновой, видимый как туманность, а в центре этого остатка может образоваться нейтронная звезда, подобно тому, как это происходит в туманности Кассиопея А.
Для изучения скорости остывания нейтронных звезд и происходящих в них процессов необходимо знать их возраст, однако это определение затруднено для большинства объектов. Точный возраст известно лишь для небольшого числа нейтронных звезд, что стало возможным благодаря древним астрономическим наблюдениям вспышек сверхновых – от XX до XVII веков до нашей эры – связанных с их формированием. Нейтронная звезда, расположенная в туманности Кассиопея А, является самой молодой из известных, и ее остывание представляет собой уникальный феномен: снижение температуры поверхности удается отслеживать в реальном времени, хотя причины столь интенсивного процесса пока не выяснены.
Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) построили новую модель, которая объясняет столь быстрое остывание. Ранее ученые из той же группы со своими коллегами и независимо астрофизики из Мексики и США предположили, что быстрое охлаждение звезды в туманности Кассиопея А связано с возникновением сверхтекучести сверхплотного вещества при понижении температуры в ядре звезды. Соответствующая теория была независимо разработана теми же группами ученых еще раньше, до обнаружения ускоренного остывания звезды в туманности Кассиопея А.
Альтернативный сценарий остывания был предложен взамен предыдущего. Его реализация возможна как при наличии сверхтекучести, так и без нее. Российские ученые провели расчеты остывания для различных моделей нейтронной звезды и определили условия, при которых теория должна точно соответствовать результатам наблюдений. Кроме того, исследователи создали простую аналитическую модель, которая наглядно демонстрирует механизм задержки остывания в первые два столетия существования нейтронной звезды и его последующее ускорение. Расчеты показывают, что быстрое остывание обусловлено не сверхтекучестью, а эффективным отводом тепла из небольшого внутреннего ядра звезды, где благодаря высокой плотности происходят процессы особенно интенсивного нейтринного охлаждения.
«Космическая рентгеновская обсерватория “Чандра” продолжает отслеживать процесс остывания нейтронной звезды, расположенной в туманности Кассиопея А. Дальнейшие исследования этой звезды, вероятно, позволят установить точные причины ускоренного остывания. Это, в свою очередь, поможет в решении ключевой задачи физики и астрофизики – определении характеристик сверхплотного вещества и внутренней структуры нейтронных звезд», — поясняет руководитель проекта, получившего поддержку гранта РНФ, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН, Дмитрий Яковлев.
«Для дальнейших исследований потребуются более совершенные модели остывания нейтронной звезды в туманности Кассиопея А, учитывающие различные сценарии. В настоящее время наблюдается активное развитие исследований нейтронных звезд. Теоретики создают все более точные модели сверхплотного вещества, а наблюдатели проверяют их с помощью разнообразных наблюдений. Мы намерены проводить новые расчеты остывания этой уникальной звезды, опираясь на самые современные теоретические модели» , — поясняет Александр Потехин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН и исполнитель проекта, который получил поддержку гранта РНФ.
Информация предоставлена пресс-службой Российского научного фонда