Американские ученые провели расчеты физических параметров нейтронных звезд, имеющих возвышенности на поверхности. Исследование показало, что есть возможности не только установить наличие подобных структур, но и выявить их ключевые характеристики, анализируя гравитационные волны, излучаемые нейтронной звездой. Кроме того, эти возвышенности оказывают влияние на скорость вращения нейтронных звезд, замедляя ее.
С момента создания первого телескопа человечество ведет изучение Вселенной, используя различные диапазоны электромагнитного излучения. Однако со временем стало ясно, что не все объекты можно увидеть. К примеру, фотоны не могут покинуть черные дыры. Существует другой тип астрономии, который сформировался благодаря исследованию гравитационных волн — возмущений в структуре пространства-времени, возникающих из-за воздействия объектов с огромной массой.
Обсерватории, предназначенные для регистрации гравитационных волн, начали функционировать в 2010-х годах, однако их возможности по обнаружению слабых сигналов пока ограничены. На данный момент они фиксируют наиболее интенсивные события, такие как слияние черных дыр или нейтронных звезд. В настоящее время создаются инструменты, обладающие значительно более высоким разрешением. В связи с этим астрофизики уже сейчас прогнозируют характеристики различных объектов, которые планируется изучать с их помощью.
Предметом новой работы, опубликованной на портале препринтов arXiv, в конечном итоге, в результате гравитационного коллапса, образовались нейтронные звезды. Современные теоретические представления демонстрируют их многослойное строение.
Уточнить фундаментальные законы природы можно, если хотя бы частично подтвердить или опровергнуть эти теоретические построения. Для этого требуется возможность получения достоверной информации о свойствах, которые предсказываются для рассматриваемого объекта.
Согласно расчетам, внешняя оболочка нейтронной звезды должна представлять собой кристаллическую структуру, образованную атомными ядрами, через которые непрерывно циркулирует «море электронов». Эта оболочка находится под постоянным давлением, которое, неизбежно, должно высвобождаться в виде «звездотрясений». Ряд данных косвенно подтверждает такую теоретическую модель. Нейтронные звезды преимущественно излучают в радиодиапазоне и известны земным наблюдателям как пульсары – космические «маяки», испускающие лучи с высокой степенью предсказуемости. Эта частота, как правило, стабильна и незначительно снижается с течением времени, но иногда претерпевает резкие изменения без очевидных объяснений.
По всей видимости, единственный правдоподобный вариант объяснения – это то, что накопленное напряжение в коре нейтронной звезды вызывает ее разрушение и перераспределение материи вблизи или от оси вращения. Это приводит к изменению скорости вращения в соответствии с законом сохранения углового момента – она либо увеличивается, либо уменьшается. Помимо звездотрясений, напряжения в коре нейтронных звезд могут проявляться в виде «гор» – неровностей, расположенных несимметрично относительно оси вращения. Огромная сила тяжести не позволяет им вырастать выше нескольких долей миллиметра.
Микроскопические неровности, обусловленные исключительной плотностью вещества нейтронной звезды, способны вызывать возмущения в структуре пространства-времени. Обнаружить возникающие гравитационные волны на данный момент не представляется возможным. Однако, их существование имеет прочные теоретические основания, и будущие детекторы могут подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Согласно расчетам двух ученых из Индианского университета (США), анализ гравитационных волн позволит определить ключевые параметры возвышенностей на поверхности нейтронной звезды.
Полностью воссоздать ландшафт, разумеется, не получится. Однако, можно определить среднюю высоту, основное направление горных хребтов и даже выдвинуть некоторые предположения о том, как они образовались. Кроме того, полученные данные позволят уточнять наши представления о структуре и происхождении нейтронных звезд.
Авторы работы указали на наличие значительного недостатка в представленном моделировании, связанного с предположением, от которого зависит достоверность всех выполненных расчетов. В качестве исходных данных для воссоздания рельефа нейтронной звезды исследователи использовали различные горные ландшафты на планетоподобных объектах Солнечной системы, таких как Меркурий, Европа и Энцелад. Безусловно, планеты и их спутники существенно отличаются от коллапсировавшего ядра звезды. Однако в качестве альтернативных примеров тонких твердых оболочек крупных космических объектов на данный момент не существует.
Разнообразие гор в Солнечной системе действительно поражает: некоторые образовались благодаря тектоническим процессам, другие – в результате сжатия вещества, находящегося под поверхностью, а третьи – из-за неравномерного расширения.
Одним из значимых последствий наличия «гор» на нейтронных звездах является уменьшение их углового момента из-за генерации гравитационных волн. Энергия звезды переносится посредством гравитационных волн. Согласно результатам, представленным в работе, высота «гор» на поверхности звезды определяет верхнюю и нижнюю границы ее скорости вращения.