Нейтронные звезды — это самая плотная материя, которая должна «нормально» существовать (черные дыры плотнее, но они действительно странные, поэтому давайте пока их не считать). Как следует из традиционного примера, одна чайная ложка вещества нейтронной звезды весит примерно столько же, сколько вся человеческая раса вместе взятых — около 100 миллионов тонн.
Все, что мы видим вокруг, кажется очень плотным, но на атомном уровне много пустого пространства. Причина, по которой нейтронные звезды настолько плотные, состоит в том, что они состоят из плотно упакованных нейтронов. Если вы избавляетесь от всех электронов и сохраняете только нейтроны, вы можете сделать это, но вам нужны особые условия.
Нейтронная звезда — это свернутое ядро гигантской звезды, которая (до коллапса) имеет массу около 10-29 солнечных масс. Астрономы изучали эти объекты в течение десятилетий, но многое о них все еще неясно. Например, что на самом деле происходит с нейтронами — они становятся своего рода сверхтекучей, которая свободно течет, или они распадаются на субатомные частицы? Кроме того, где именно находится переломный момент, в котором коллапсирующая звезда создает черную дыру против нейтронной звезды?
Эта недавно обнаруженная звезда может помочь ответить на некоторые из этих вопросов.
«Нейтронные звезды столь же таинственны, сколь и очаровательны», — сказал профессор Кромарти, аспирант Университета Вирджинии и аспирант Гроте Ребер в Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния. «Эти объекты размером с город по сути являются гигантскими атомными ядрами. Они настолько массивны, что их интерьеры приобретают странные свойства. Нахождение максимальной массы, которую позволят физика и природа, может многому научить нас в этой недоступной ранее области астрофизики.». Кромарти продолжила эту работу в рамках своего докторского проекта.
Звезда, которую называют J0740 + 6620, представляет собой пульсар сильно намагниченный вращающийся тип нейтронной звезды, испускающий пучок электромагнитного излучения. Его масса в 2,17 раза больше массы Солнца, хотя его ширина составляет всего 30 километров. Это очень близко к пределу того, насколько компактным может быть отдельный объект без разрушения себя в черную дыру — как это было предложено в недавней работе по гравитационным волнам, наблюдаемым от сталкивающихся нейтронных звезд.
Для проведения этих измерений исследователи воспользовались одним из основных свойств пульсаров: особым импульсом, который они излучают.
Пульсары называются так потому, что они излучают два радиолуча через свои магнитные полюса, подобно тому, как вращающийся маяк излучает свет. Поскольку пульсары вращаются с ослепительной скоростью (иногда со скоростью 24% от скорости света), импульсы можно использовать как своего рода космические хронометристы. Но само по себе этого недостаточно для точного расчета массы пульсара.
Исследователи используют еще одно свойство, которое называется задержкой Шапиро.
У нейтронной звезды есть спутник — белый карлик. Когда сигнал от пульсаров проходит через белого карлика, сила тяжести карлика достаточно велика, чтобы искажать окружающую среду вокруг него, слегка искривляя пространство-время в его окрестностях (в соответствии с общей ). Это означает, что импульсы должны проходить немного больше, чем они должны без гравитационного эффекта — и этот дополнительный бит указывает на гравитационное притяжение белого карлика и, следовательно, его массу.
После этого, как только масса карлика была рассчитана, масса пульсара также может быть точно определена с помощью относительно простого процесса.
Это показало, что нейтронная звезда очень близка к тому, чтобы стать черной дырой.
Исследователи говорят, что эта среда создает идеальные условия для измерения массы нейтронной звезды, выступающей в роли космической лаборатории. С каждой такой системой, которую они обнаруживают, астрономы получают лучшее приближение того, когда звезды становятся черными дырами, и когда они остаются нейтронными звездами.
«Ориентация этой двойной звездной системы создала фантастическую космическую лабораторию», — сказал Скотт Рэнсом, астроном NRAO и соавтор статьи. «У нейтронных звезд есть этот переломный момент, когда их внутренние плотности становятся настолько экстремальными, что сила тяжести подавляет даже способность нейтронов противостоять дальнейшему коллапсу.
«Каждая «самая массивная» нейтронная звезда, которую мы находим, приближает нас к определению этой переломной точки и помогает нам понять физику материи при этих ошеломляющих плотностях».
Исследование было в Nature Astronomy.