NICER на МКС исследует сжимаемость нейтронных звезд

Материя в ядрах нейтронных звезд – плотных остатках взорвавшихся массивных звезд – принимает самую экстремальную форму, которую мы можем измерить. Теперь, благодаря данным Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), рентгеновского телескопа на Международной космической станции, ученые обнаружили, что эта загадочная материя менее сжимаема, чем предсказывали некоторые физики.

Открытие основано на наблюдениях PSR J0740 + 6620 (для краткости J0740), самой массивной из известных нейтронных звезд, которая находится на расстоянии более 3600 световых лет от нас в северном созвездии Camelopardalis. J0740 находится в двойной звездной системе с белым карликом, остывающим остатком звезды, похожей на Солнце, и вращается 346 раз в секунду. Предыдущие наблюдения показывают, что масса нейтронной звезды примерно в 2,1 раза больше массы Солнца.

«Мы окружены нормальной материей, предметом нашего повседневного опыта, но мы многого не знаем о том, как материя ведет себя и как она трансформируется в экстремальных условиях, – сказал Завен Арзуманян, научный руководитель NICER в Центре космических полетов Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. – Измеряя размеры и массу нейтронных звезд с помощью NICER, мы исследуем материю на грани взрыва в черную дыру. Как только это произойдет, мы больше не сможем изучать материю, потому что она будет скрыта за горизонтом событий черной дыры”.

Арзуманян и члены команды NICER представили свои выводы в субботу, 17 апреля, на виртуальном собрании Американского физического общества. Документы, описывающие результаты и их значение, сейчас проходят научную проверку.

Коллапс в черную или нейтронную звезду

В конце своей жизни звезда, во много раз тяжелее Солнца, исчерпывает топливо в своем ядре, коллапсирует под собственным весом и взрывается сверхновой. Самые тяжелые из этих взрывающихся звезд оставляют после себя черные дыры. Более легкие рождают нейтронные звезды, которые имеют массу больше, чем Солнце, а сферу диаметром всего с остров Манхэттен в Нью-Йорке.

Внутренние слои нейтронной звезды видны и помечены.
Ученые считают, что нейтронные звезды слоистые. Как показано на этой иллюстрации, состояние материи в их внутреннем ядре остается загадочным.
Источник: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА / Лаборатория концептуальных изображений.

Ученые считают, что нейтронные звезды слоистые. На поверхности тонкая атмосфера из атомов водорода или гелия покоится на твердой коре из более тяжелых атомов. В коре быстрое увеличение давления отделяет электроны от ядер атомов. Глубже, во внешнем ядре звезды, ядра атомов расщепляются на нейтроны и протоны. Огромное давление сдавливает протоны и электроны, образуя море, состоящее в основном из нейтронов, которые в конечном итоге упаковываются вместе с плотностью, вдвое превышающей плотность атомного ядра.

Есть ли в ядре кварки

Но какую форму принимает материя во внутреннем ядре? Это еще более спрессованные нейтроны или нейтроны распадаются на свои собственные составные части, называемые кварками?

Физики задаются этим вопросом с тех пор, как Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предложили существование нейтронных звезд в 1934 году. Чтобы ответить на него, астрономам нужны точные измерения как размеров, так и массы этих объектов. Это позволяет им рассчитать соотношение между давлением и плотностью во внутреннем ядре звезды и оценить предельную сжимаемость вещества.

В традиционных моделях типичной нейтронной звезды, масса которой примерно в 1,4 раза больше массы Солнца, физики ожидают, что внутреннее ядро ​​будет в основном заполнено нейтронами. Более низкая плотность гарантирует, что нейтроны остаются достаточно далеко друг от друга, чтобы оставаться неповрежденными, и эта внутренняя жесткость приводит к более крупной звезде.

У более массивных нейтронных звезд, таких как J0740, плотность внутреннего ядра намного выше, и нейтроны сжимаются ближе друг к другу. Неясно, могут ли нейтроны оставаться нетронутыми в этих условиях или вместо этого они распадаются на кварки. Теоретики подозревают, что они разрушаются под давлением, но остается много вопросов по поводу деталей. Чтобы получить ответы, ученым нужно точно измерить размер массивной нейтронной звезды. Звезда меньшего размера будет отдавать предпочтение сценариям, в которых кварки свободно перемещаются на самых внутренних глубинах, потому что более мелкие частицы могут быть упакованы более плотно. Более крупная звезда предполагает наличие более сложных форм материи.

Наблюдения пульсаров

Чтобы получить необходимые точные измерения, NICER наблюдает быстро вращающиеся нейтронные звезды, называемые пульсарами, открытые в 1967 году Джоселин Белл Бернелл. На поверхности этих объектов образуются яркие, излучающие рентгеновские лучи горячие точки. Когда пульсары вращаются, их пятна вращаются и исчезают, как лучи маяка, вызывая регулярные изменения их яркости в рентгеновских лучах.

Но пульсары также настолько плотны, что их сила тяжести искажает близлежащее пространство-время, как шар для боулинга, покоящийся на батуте. Это искажение настолько велико, что заставляет свет с обратной стороны звезды – свет, который мы иначе не могли бы обнаружить – перенаправлялся к нам, что заставляет пульсар выглядеть больше, чем он есть на самом деле. Та же масса в меньшем корпусе вызывает большие искажения. Этот эффект может быть настолько интенсивным, что может предотвратить полное исчезновение горячих точек при их вращении вокруг пульсара.

Ученые могут воспользоваться этими эффектами, потому что NICER измеряет приход каждого рентгеновского излучения с точностью до 100 наносекунд. Отслеживая, как изменяется яркость рентгеновского излучения пульсара во время его вращения, ученые могут восстановить, насколько он искажает пространство-время. Поскольку они знают его массу, они могут перевести это искажение в размер.

Две команды использовали разные подходы к размеру модели J0740. Группа под руководством Томаса Райли и Анны Уоттс – исследователя и профессора астрофизики Амстердамского университета соответственно – оценила пульсар в диаметре около 24,8 км. Группа ученых под руководством Коула Миллера, профессора астрономии Мэрилендского университета в Колледж-Парке, обнаружила, что диаметр J0740 составляет около 27,4 км. Эти два результата существенно перекрываются в пределах их неопределенностей, от 22,8 до 27,4 км и от 24,4 до 32,6 км соответственно.

Точные диаметры

Помимо данных NICER, обе группы также включили рентгеновские наблюдения со спутника XMM-Newton Европейского космического агентства, которые помогли учесть фоновый шум. Масса J0740 была ранее определена с помощью радиоизмерений, сделанных учеными из Североамериканской обсерватории гравитационных волн и Канадского эксперимента по картированию интенсивности водорода.

В 2019 году команды Райли и Миллера использовали данные NICER для оценки как размера, так и массы пульсара J0030 + 0451 (или J0030). Они определили, что объект был примерно в 1,4 раза больше массы Солнца и имеет 26 километров в диаметре.

«Наши новые измерения J0740 показывают, что, хотя она почти на 50% массивнее, чем J0030, но практически того же размера, – сказал Уоттс. – Это ставит под сомнение некоторые из наиболее сжатых моделей ядер нейтронных звезд, включая версии, в которых внутренность представляет собой просто море кварков. Размер и масса J0740 также создают проблемы для некоторых менее сжимаемых моделей, содержащих только нейтроны и протоны».

Комбинации в ядрах

Недавние теоретические модели предлагают некоторые альтернативы, такие как внутренние ядра, содержащие смесь нейтронов, протонов и экзотической материи, состоящей из кварков или новых комбинаций кварков. Но все возможности необходимо будет переоценить в контексте этой новой информации от NICER.

«Размер J0740 озадачил и взволновал нас, теоретиков, – сказал Санджай Редди, профессор физики Вашингтонского университета, который изучает материю в экстремальных условиях, но не участвовал в открытии. – Измерения NICER в сочетании с другими наблюдениями, кажется, подтверждают идею о том, что давление в ядрах массивных нейтронных звезд быстро растет. Хотя это не способствует переходу к более сжатым формам материи в ядре, его последствия еще предстоит полностью понять».

Команда Миллера также определила, насколько хорошо ученые могут оценить размер пульсара, используя измерения NICER J0740 и J0030, чтобы дополнить существующую информацию о других тяжелых пульсарах и событиях гравитационных волн, пространственно-временной ряби, создаваемой столкновениями массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры.

«Теперь мы знаем радиус стандартной нейтронной звезды, в 1,4 раза превышающей массу Солнца, с погрешностью 5%, – сказал Миллер. – Это как знать размер Вашингтона, округ Колумбия, с точностью до четверти мили. NICER не только переписывает учебники по нейтронным звездам, но и меняет нашу уверенность в наших измерениях очень далеких и очень маленьких объектов ».

NICER на передовой

В дополнение к проверке пределов материи нейтронные звезды также предлагают новые средства исследования обширных пространств космоса. В 2018 году группа ученых и инженеров НАСА использовала NICER, чтобы впервые продемонстрировать полностью автономную навигацию в космосе с использованием пульсаров, которая может революционизировать нашу способность пилотировать космические аппараты-роботы в дальние уголки Солнечной системы и за ее пределами.

«NICER был отличным товарищем по команде, – сказала астронавт НАСА Кристина Кох, которая работала бортинженером на космической станции с марта 2019 года по февраль 2020 года, установив рекорд самого продолжительного одиночного космического полета женщины. – Миссия демонстрирует все лучшие аспекты исследований станции. Это революционная фундаментальная наука, космическая наука и технологические инновации, все благодаря уникальной среде и платформе орбитальной лаборатории».

NICER – перспективная астрофизическая миссия в рамках программы NASA Explorers, которая обеспечивает частые полеты для научных исследований мирового уровня из космоса с использованием инновационных, оптимизированных и эффективных подходов к управлению в областях гелиофизики и астрофизики. Управление космических технологий НАСА поддерживает компонент миссии SEXTANT, демонстрируя навигацию космических аппаратов на основе пульсаров.

Читайте, как сеть радиотелескопов запечатлела сверхмассивную черную дыру

Читайте обзоры:

-->