Знайдено найважчу з відомих нейтронну зорю

В Чумацькому Шляху знайдено найважчу з відомих на сьогодні нейтронну зорю. Вона — "чорна вдова", що поїдає свого партнера; і можливо має верхню межу маси для нейтронних зірок.

Про це розповідають в Каліфорнійському університеті в Берклі, передають OstanniPodii.com.

Щільна, сколапсована зоря обертається 707 разів на секунду, що робить її однією з найшвидше обертових нейтронних зірок у Чумацькому Шляху, подрібнила й поглинула майже всю масу свого зоряного компаньйона та в процесі перетворилася на найважчу нейтронну зірку, спостережувану досі.

Зважування цієї рекордної нейтронної зорі, маса якої у 2,35 раза перевищує масу Сонця, допомагає астрономам зрозуміти дивний квантовий стан матерії всередині цих щільних об'єктів, які повністю колапсують і зникають у вигляді чорної діри.

“Ми приблизно знаємо, як поводиться матерія при ядерній щільності, наприклад, як в ядрі атома урану”, - каже Алекс Філіппенко, заслужений професор астрономії в Берклі. “Нейтронна зоря схожа на одне гігантське атомне ядро, але коли у вас є півтори сонячних мас цього, тобто ядер у приблизно 500 000 земних мас, всіх зчеплених разом, зовсім незрозуміло, як вони поводитимуться”.

Роджер В. Романі, професор астрофізики Стенфордського університету, зазначив, що нейтронні зорі настільки щільні — 1 кубічний дюйм важить понад 10 мільярдів тонн, — що їхні зоряні ядра є найщільнішою матерією у Всесвіті, за винятком чорних дір, які, оскільки вони приховані своїми горизонтами подій, неможливо вивчити. Таким чином, нейтронна зоря, пульсар під назвою PSR J0952-0607, є найщільнішим об'єктом у межах видимості із Землі.

Виміряти масу нейтронної зорі стало можливим завдяки надзвичайній чутливості 10-метрового телескопа "Keck I" на горі Маунакеа на Гаваях, який зміг записати лише спектр видимого світла від зірки-компаньйона, що гаряче сяє, та тепер зменшилася до розмірів великої газоподібної планети. Зорі знаходяться на відстані близько 3000 світлових років від Землі у напрямку сузір'я Секстанта.

Новини за подібною темою:

		Астрономи виявили "спокійні й темні" нейтронні зорі, які обертаються навколо схожих на Сонце зірок
		В нашій галактиці знайдено таємничий об′єкт, який може бути найлегшою чорною дірою, або найважчою нейтронною зорею
		Отримано нові докази наявності ядер з кваркової матерії в масивних нейтронних зорях

Відкритий у 2017 році, PSR J0952-0607 називають пульсаром-"чорною вдовою" — за аналогією з тенденцією самок павуків-чорних вдів після спарювання з’їдати набагато дрібніших самців. Філіппенко та Романі вивчають системи "чорних вдів" вже понад десять років, сподіваючись встановити верхню межу того, наскільки великими можуть виростати нейтронні зорі/пульсари.

“Об'єднавши ці виміри з даними кількох інших "чорних вдів", ми показали, що нейтронні зорі повинні досягти принаймні цієї маси, 2,35 плюс-мінус 0,17 сонячних мас”, - сказав Романі, професор фізики у Стенфордській школі гуманітарних наук та член Інституту астрофізики частинок і космології імені Кавлі. “Своєю чергою, це надає одні з найсильніших обмежень на властивості матерії при густині у кілька разів більшій, ніж в атомних ядрах. Насправді багато популярних моделей фізики щільної матерії виключаються цим результатом”.

Дослідники кажуть, якщо 2,35 сонячних мас близькі до верхньої межі нейтронних зірок, то внутрішня частина, ймовірно, є супом з нейтронів, а також верхніх і нижніх кварків — складових частин звичайних протонів і нейтронів — але не екзотичної матерії, такої як "дивні" кварки або каони (k-мезони), які є частинками, що складаються з дивних кварків.

[Для довідки. Кварки — елементарні частинки та фундаментальні складові матерії, яких на сьогодні відомо 6 "ароматів". Зараз згадуються верхній u, нижній d та дивний s.]

“Висока максимальна маса нейтронних зірок передбачає, що вони є сумішшю атомних ядер і розчинених в них верхніх і нижніх кварків на всьому шляху до зоряного ядра”, - сказав Романі. “Це виключає багато передбачуваних станів матерії, особливо ті, які мають екзотичний внутрішній склад”.

Романі, Філіппенко та аспірант Стенфорда Дінеш Кандель є співавторами статті, що описує результати роботи команди, яка була прийнята до публікації в журналі The Astrophysical Journal Letters. Препринт доступний на сайті arXiv.org.

Астрономи виміряли швидкість тьмяної зірки (у зеленому колі), позбавленої майже всієї своєї маси невидимим компаньйоном, нейтронною зіркою та мілісекундним пульсаром, який, на їхню думку, є наймасивнішим зі знайдених досі та, можливо, верхньою межею для нейтронних зірок. Credit: W. M. Keck Observatory, Roger W. Romani, Alex Filippenko

Наскільки великими вони можуть виростати?

Астрономи в цілому згодні з тим, що коли зоря з ядром більше як 1,4 сонячної маси колапсує наприкінці свого життя, вона утворює щільний, компактний об'єкт з внутрішнім середовищем під таким високим тиском, що всі атоми учавлюються разом, утворюючи море нейтронів та їх суб'ядерних складових, кварків. Ці нейтронні зорі народжуються обертовими, і хоча вони занадто тьмяні, щоб їх можна було побачити у видимому світлі, вони проявляють себе як пульсари, випускаючи пучки світла — радіохвилі, рентгенівські або навіть гамма-промені, які спалахують по Землі у міру обертання пульсарів, подібно до променя маяка.

"Звичайні" пульсари обертаються та спалахують у середньому один раз на секунду, що легко можна пояснити з урахуванням звичайного обертання зорі перед її колапсом. Але деякі пульсари повторюються сотні або до 1000 разів на секунду, що важко пояснити, окрім як матерія впала на нейтронну зорю та розкрутила її. Але для деяких мілісекундних пульсарів компаньйона не видно.

Одне з можливих пояснень ізольованих мілісекундних пульсарів полягає в тому, що у кожного колись був компаньйон, але він перетворився на ніщо.

“Еволюційний шлях абсолютно захопливий. Подвійний знак оклику”, - каже Філіппенко. “Коли зоря-компаньйон еволюціонує та починає перетворюватися на червоного гіганта, матеріал перетікає на нейтронну зірку, і це розкручує нейтронну зірку. Розкручуючись, вона стає неймовірно енергійною, і з нейтронної зірки починає вилітати вітер частинок. Потім цей вітер починає здирати з неї матеріал, і згодом маса зірки-донора зменшується до маси планети, а якщо пройде ще більше часу, вона зникне зовсім, ось як могли утворитися самотні мілісекундні пульсари, спочатку вони не були самотніми — спочатку вони мали бути в бінарній парі — але вони поступово випарували своїх компаньйонів, і тепер самотні”.

Пульсар PSR J0952-0607 та його тьмяна зоря-компаньйон підтверджують таку історію походження мілісекундних пульсарів.

“Ці планетоподібні об'єкти є залишками нормальних зірок, які внесли свою масу та кутовий момент, розкрутивши свої пульсари до мілісекундних періодів та збільшивши їхню масу в процесі”, - сказав Романі.

“У разі космічної невдячності пульсар-"чорна вдова", який поглинув більшу частину свого компаньйона, тепер нагріває та випаровує компаньйона до планетарної маси та, можливо, до повної анігіляції”, - сказав Філіппенко.

Пульсари-павуки включають червоних вдів та тидарренів

Пошук пульсарів-"чорних вдів", в яких компаньйон малий, але не дуже малий для виявлення, є одним з небагатьох способів зважити нейтронні зірки. У разі цієї бінарної системи зоря-компаньйон, маса якої зараз у 20 разів більша за масу Юпітера, спотворена масою нейтронної зірки та приливним блокуванням, подібно до того, як наш Місяць зафіксований на орбіті таким чином, що ми бачимо лише один його бік. Сторона, повернута до нейтронної зірки, нагріта до температури близько 6 200 Кельвінів, або 6000 градусів за Цельсієм, що трохи спекотніше, ніж наше Сонце, і достатньо яскраво, щоб побачити її у великий телескоп.

Філіппенко та Романі повертали телескоп "Keck I" на PSR J0952-0607 шість разів за останні чотири роки, кожного разу спостерігаючи за допомогою "Спектрометра візуалізації низької роздільної здатності" по 15 хвилин, щоб зловити тьмяного компаньйона у певних точках на 6,4-годинній орбіті пульсара. Порівнюючи спектри зі спектрами подібних сонцеподібних зірок, вони змогли виміряти орбітальну швидкість зірки-компаньйона та розрахувати масу нейтронної зірки.

Філіппенко та Романі вивчили близько дюжини систем "чорних вдів", але лише шість з них мали зірок-компаньйонів, досить яскравих, щоб розрахувати їхню масу. Усі досліджувані нейтронні зорі менш масивні, ніж пульсар PSR J0952-060. Вони сподіваються вивчити більше пульсарів-"чорних вдів", а також їхніх родичів: червоноспинних — пульсарів, названих так на честь австралійського еквівалента "чорних вдів", у яких компаньйони ближчі до десятої частини маси Сонця; і тих, кого Романі назвав тідарренами, де компаньйон складає близько однієї сотої сонячної маси – на честь родича павука "чорної вдови". Самець цього виду, Tidarren sisyphoides, становить близько 1% від розміру самки.

“Ми можемо продовжувати шукати "чорних вдів" та інші подібні нейтронні зорі, які ще ближче підбираються до межі чорної діри. Але якщо ми їх не знайдемо, це посилить аргументацію на користь того, що 2,3 сонячних мас — це дійсно та межа, за якою вони стають чорними дірами”, - сказав Філіппенко.

“Це прямо на межі можливостей телескопа Кека, тому якщо не буде фантастичних умов для спостережень, посилення вимірювань PSR J0952-0607, ймовірно, очікує ери 30-метрових телескопів”, - додав Романі.

Іншими співавторами статті в ApJ Letters є дослідники Каліфорнійського університету Берклі Томас Брінк і ВейКан Чжен.

На цьому відео НАСА від 2014 року розповідається про пульсари-"чорні вдови" і про те, як астрономи виявили один з них під назвою PSR J1311-3430, перший у своєму роді, знайдений виключно завдяки спостереженням гамма-випромінювання.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Нейтронні зорі
• Пульсари
• зоряна еволюція