Какви са размерите на неутронна звезда? Астрономи търсят отговора в гравитационните вълни

Артистично представяне на сливането на две неутронни звезди

Когато става дума за физика на неутронните звезди, размерите са от значение. Защото, неутронните звезди са колабиралите ядра на масивни светила и при тях материята е толкова компресирана, че атомите се разпадат и почти всичко се превръща в неутрони. В резултат на това, около половината от масата на нашето Слънце се оказва „натъпкана“ в тези космически обекти, които са с размери, приблизително на Нюйоркския Манхатън.

Съпоставка на размерите на неутронна звезда с маса приблизително половин милион пъти по-голяма от масата на Земята и град Хановер в Германия, където се намира университета "Алберт Айнщайн

По-голяма част от материята на тези звезди, а вероятно – цялата – съществува под формата на неутрони, макар че някои теоретични модели предполагат, че дълбоко в самите звезди и неутроните се разпадат на „супа“ от кварки и глуони. Разбира се, нямаме начин да надникнем в неутронна звезда. Но размерите им ни предоставят някои улики за вътрешността им – колкото по-малка е неутронна звезда, толкова повече е компресирана материята във вътрешността ѝ. Така че, като измерят колко големи са неутронните звезди, учените могат да изследват, макар и косвено, тяхната природа.

В ново изследване, публикувано на 9 март в списание Nature Astronomy, Колин Капано от Института за гравитационна физика Макс Планк и Университета „Лайбниц“ в Хановер, Германия, заедно с негови колеги, излага резултатите от проучване на пулсациите в пространство-времето, които се генерират при сливане на неутронни звезди. Обединявайки наблюденията на гравитационните вълни и ядрената теория, учените са достигнали до заключение, че типичната неутронна звезда би следвало да е с размери около 22 километра. За момента това е най-точното определяне на размерите на тези обекти, като заключенията се базират на регистрираните гравитационни вълни. Експертите смятат, че разработката им ще има важно значение в бъдещите наблюдения.

Когато неутронна звезда участва в колизия

В началото на месец август 2017 година беше съобщено официално, че с помощта на Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) са регистрирани пулсациите в тъканта на пространство-времевия континуум, породени вследствие на сблъскването на неутронни звезди. Събитието получи каталогизация като GW170817 и бележи първият случай, в който астрономите могат да наблюдават едновременно както светлинните, така и гравитационни вълни, пристигащи от един и същи източник.

Компютърно моделиран образ на сливането на две неутронни звезди

Сигналите от гравитационните вълни показват, че неутронните звезди се завъртат по спирала навътре и се сливат в един обект. В същия момент, емитираната в електромагнитния спектър светлина демонстрира последващия ефект от сливането – експлозия, която астрономите наричат килонова звезда, и е толкова мощна, че може да бъде наблюдавана от разстояние 130 милиона светлинни години.

Наблюденията предполагат, че в центъра на експлозията за кратко се е формирала „хипермасивна“ неутронна звезда, която впоследствие е колабирала до черна дупка.

За да разберат естеството на сблъскалите се неутронни звезди, Капано и колегите му използват математически модели, които описват природата на материята на неутронни звезди; математическият апарат, който използват, се нарича уравнение на състоянието. Обединяването на данните от регистрираните гравитационни вълни и наблюденията във видимия спектър, дава като решения на уравнението на състоянието стойности за размерите на типична неутронна звезда, които варират между 20,8 и 23,8 километра в диаметър.



Резултатът е с двойно по-висока прецизност, отколкото резултатите от изчисления, извършвани до този момент. „Вече се убедихме и от други резултати от анализи на събитието GW170817, че астрономията на гравитационните вълни започва значително да ограничава диапазона на възможностите за материята на неутронна звезда“, обяснява Джослин Рийд от Калифорнийския държавен университет във Фулъртън. „И стесняването на възможностите е в посока на по-компактни обекти“.

По-компактните размери на неутронни звезди може би означават и по-екзотични интериори на обектите. Рийд обаче подчертава, че нищо не бива да се приема като толкова просто. Дори и при по-големи размери, неутронните звезди биха могли да притежават ядра от „супа“ от кварки, както и при по-компактните размери може да се допусне, че си имаме работа със съвсем „скучни“ обекти, изградени предимно от неутрони.

Капано е съгласен с това мнение. „Просто не разполагаме към момента с достатъчно данни, за да можем категорично да кажем какво се случва в недрата на тези звезди“, обяснява той. И добавя, че допълнителни наблюдения на гравитационни вълни ще помогнат в разбирането на физиката на неутронните звезди. Допълнително учените разчитат и на текущите наблюдения, извършвани с помощта на Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) – инструмент, който се намира на борда на Международната космическа станция.

Когато неутронна звезда се сблъска с черна дупка

В същото време, по-компактната природа на неутронните звезди ще окаже веднага влияние върху наблюденията на гравитационни вълни, породени от колизията на неутронни звезди и черни дупки. По-малка, с по-висока плътност неутронна звезда, би била по-трудна за разкъсване от черна дупка, преди да бъде погълната. Или казано по друг начин, черна дупка би следвало да поглъща „цяла“ неутронна звезда, озовала се в гравитационния ѝ капан. От своя страна, това означава, че ако се сблъскат черна дупка и неутронна звезда, не бива да очакваме емитирането на светлина – астрономите ще трябва да разчитат само на регистриране на сигнали от гравитационни вълни, породени от подобен катаклизъм.

Компютърна симулация от предходно изследване, която представя разкъсването на неутронна звезда от черна дупка

Капано обяснява, че може да се очаква емитирането на някаква светлина само ако черната дупка е много малка или се върти изключително бързо. Въпреки това, разбиранията ни за естеството на неутронните звезди се обогатяват. Колаборациите LIGO и Virgo в Италия, анализират резултатите от сигналите от гравитационни вълни, регистрирани през месец април 2019 година. В списъка с „прекрасни“ събития, които учените очакват да се случат в края на месец април 2020 година, влизат такива, като сливания на множество черни дупки и поне един сблъсък на неутронни звезди.


-----------
За още новини харесайте страницата ни във Facebook>>>