Благодаря обширным модельным расчетам физики пришли к общим выводам о внутреннем строении нейтронных звезд, где материя достигает огромных плотностей: в зависимости от массы звезд они могут иметь либо очень жесткое, либо очень мягкое ядро.
Результаты исследования опубликованы 15 ноября 2022 года одновременно в двух статьях.
Пока мало что известно о недрах нейтронных звезд, тех чрезвычайно компактных объектах, которые могут образоваться после смерти массивной звезды: масса нашего Солнца или даже больше сжимается в сферу диаметром с большой город. С момента их открытия более 60 лет назад ученые пытались расшифровать их структуру. Самой большой проблемой является моделирование экстремальных условий внутри нейтронных звезд, которые трудно воссоздать на Земле в лаборатории. Итак, существует множество моделей, в которых различные свойства — от плотности до температуры — описываются так называемыми уравнения состояния. Эти уравнения пытаются описать структуру нейтронных звезд от поверхности звезды до внутреннего ядра.
Теперь физикам из Франкфуртского университета им. Гёте удалось добавить к головоломке новые ключевые элементы. Лучано Резолла из Института теоретической физики разработал более миллиона различных уравнений состояния, которые удовлетворяют ограничениям, налагаемым данными теоретической ядерной физики, с одной стороны, и астрономическими наблюдениями, с другой. Оценивая уравнения состояния, рабочая группа сделала поразительное открытие: «легкие» нейтронные звезды (примерно 1,7 массы Солнца) имеют мягкую мантию и твердое ядро, в то время как «тяжелые» нейтронные звезды (массой более 1,7 массы Солнца) вместо этого имеют твердую мантию и мягкое ядро.
Этот результат очень интересен, потому что он дает нам прямую меру того, насколько сжимаемым может быть ядро нейтронных звезд, — говорит проф. Лучано Резолла.
Нейтронные звезды, по-видимому, ведут себя немного как шоколадные пралине: легкие звезды напоминают те конфеты, внутри которых есть лесной орех, окруженный мягким шоколадом, тогда как тяжелые звезды можно считать больше похожими на те шоколадные конфеты, в которых твердый слой содержит мягкую начинку.
Решающее значение для этого понимания имела скорость звука, на которой сосредоточился студент бакалавриата Синан Алтипармак. Эта мера размера описывает, как быстро звуковые волны распространяются в объекте, и зависит от того, насколько жестким или мягким является вещество. Здесь, на Земле, скорость звука используется для исследования недр планеты и обнаружения месторождений нефти.
Моделируя уравнения состояния, физики также смогли обнаружить другие ранее необъяснимые свойства нейтронных звезд. Например, независимо от их массы, они, скорее всего, будут иметь радиус всего 12 км. Автор исследования, доктор Кристиан Экер, объясняет:
Наши обширные численные исследования позволяют нам не только предсказать максимальные массы и радиусы нейтронных звезд, но и установить новые пределы их деформируемости в двойных системах, то есть насколько сильно они искажают друг друга своими гравитационными полями. Эти идеи станут особенно важными для точного определения неизвестного уравнения состояния с помощью будущих астрономических наблюдений и обнаружения гравитационных волн от слияния звезд.
Таким образом, хотя точная структура и состав материи внутри нейтронных звезд остаются загадкой, ожидание их открытия, безусловно, можно подсластить парой шоколадок.
