Когда массивные звёзды взрываются как сверхновые, они могут оставлять после себя нейтронные звёзды. Помимо чёрных дыр, это самые плотные объекты, о которых мы знаем. Однако их массу трудно определить. Новые исследования продвигаются вперёд.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, группа учёных проанализировала выборку из 90 нейтронных звёзд в двойных системах, чтобы попытаться измерить функцию массы при рождении (BMF) нейтронных звёзд. Исследование называется «Определение функции массы при рождении нейтронных звёзд по результатам наблюдений.» Ведущий автор — Чжи-Цян Ю из Школы физики и астрономии Пекинского педагогического университета, Пекин, Китай.
BMF нейтронных звезд является ключевой областью исследований в астрофизике. BMF описывает, как распределяется масса между нейтронными звездами сразу после их образования при взрывах сверхновых. Как и все аспекты природы, это связано со множеством других вещей, таких как понимание заключительных стадий развития массивных звезд и гравитационных волн, возникающих в результате слияния нейтронных звезд и черных дыр. BMF также может дать ученым представление о свойствах вещества при экстремальных плотностях.
«Понимание массы, с которой рождаются нейтронные звёзды, является ключом к раскрытию истории их формирования, — сказал доктор Саймон Стивенсон, исследователь OzGrav в Университете Суинберна и соавтор исследования. «Эта работа обеспечивает важнейшую основу для интерпретации данных о гравитационных волнах, возникающих при слиянии нейтронных звёзд».
«Функция массы при рождении нейтронных звёзд содержит обширную информацию о взрывах сверхновых, эволюции двойных звёзд и свойствах материи в экстремальных условиях», — объясняют авторы в своей статье. «Однако на сегодняшний день она плохо изучена с помощью наблюдений».
Ранние наблюдения за массами нейтронных звёзд (НС) позволили лишь приблизительно определить их массы, отчасти из-за ограниченности данных наблюдений. «В течение долгого времени все наблюдаемые массы нейтронных звёзд находились в узком диапазоне, соответствующем распределению Гаусса со средним значением 1,35 массы Солнца и шириной 0,04 массы Солнца», — пишут авторы. Распределение Гаусса на графике выглядит как колоколообразная кривая, а самая высокая точка — это среднее значение. В учебниках и исследованиях для нейтронных звёзд обычно используется средняя масса 1,4 солнечной массы.
Со временем это число стало менее достоверным, особенно когда исследователи обнаружили нейтронные звёзды с массой более двух солнечных масс.
В этой работе исследователи изучили 90 пар в бинарных отношениях и вывели степенной закон, описывающий BMF.
«Чтобы определить распределение массы нейтронных звёзд, мы собрали выборку из 90 нейтронных звёзд, для которых известны точные оценки массы, полученные в результате наблюдений за радиопульсарами, гравитационными волнами и двойными рентгеновскими звёздами», — пишут авторы. Сложность заключается в том, что масса может передаваться между объектами, когда нейтронные звёзды находятся в двойных системах.
В своей работе они классифицировали нейтронные звёзды как переработанные или непереработанные (медленно вращающиеся). Переработанные нейтронные звёзды — это звёзды, которые раскрутились до чрезвычайно высоких скоростей вращения из-за аккреции вещества со своего компаньона. «При определении функции массы при рождении нейтронных звёзд ключевое различие между двумя подклассами заключается в том, что наблюдаемые массы переработавших пульсов необходимо корректировать с учётом массы, накопленной в процессе переработки, в то время как измеренные массы медленных нейтронных звёзд должны соответствовать их массе при рождении, поскольку процесс накопления массы не происходил», — объясняют авторы.
Затем они применили «вероятностные поправки, чтобы учесть массу, набранную переработанными пульсарами в двойных системах, при измерении массы 90 нейтронных звёзд». Эти вероятностные поправки позволили исследователям определить начальную массу нейтронных звёзд на момент их образования.
Исходя из этого, они разработали новую модель для BMF — степенное распределение (PLD). PLD отличается от гауссовского распределения. В PLD одна величина изменяется пропорционально другой. PLD распространено как в человеческих системах, таких как распределение богатства и численность населения городов, так и в природных системах, таких как магнитуда землетрясений, где оно показывает, что более мелкие землетрясения происходят гораздо чаще, чем более крупные.
PLD показывает, что массы нейтронных звёзд «могут быть описаны одномодальным распределением, которое плавно начинается с 1,1 солнечной массы, достигает пика при 1,27 солнечной массы, а затем снижается по степенному закону».
«Наш подход позволяет нам наконец-то понять, какова масса нейтронных звёзд при рождении, что было давним вопросом в астрофизике», — сказал соавтор исследования профессор Синцзян Чжу из Пекинского педагогического университета, Китай.
Новая модель иллюстрирует связь между BMF нейтронных звёзд и функцией начальной массы (IMF) массивных звёзд.
«Форма степенного закона может быть унаследована от начальной функции массы массивных звёзд, но относительное отсутствие массивных нейтронных звёзд подразумевает, что одиночные звёзды с начальной массой более ~18 солнечных масс не образуют нейтронные звёзды, что согласуется с отсутствием массивных красных сверхгигантских звёзд-прародительниц сверхновых», — пишут авторы.
Результаты применимы к изучению астрофизиками гравитационных волн и других астрофизических явлений.
«Понимание массы, с которой рождаются нейтронные звёзды, является ключом к раскрытию истории их формирования, — сказал доктор Саймон Стивенсон, исследователь OzGrav в Университете Суинберна и соавтор исследования. «Эта работа обеспечивает важнейшую основу для интерпретации данных о гравитационных волнах, возникающих при слиянии нейтронных звёзд».