Найдена самая тяжелая из известных нейтронных звезд

В Млечном Пути найдена самая тяжелая из известных на сегодняшний день нейтронная звезда. Она — "черная вдова", поедающая своего партнера; и возможно имеет верхний предел массы для нейтронных звезд.

Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Беркли, передают OstanniPodii.com.

Плотная, сколлапсированная звезда вращается 707 раз в секунду, что делает ее одной из самых быстро вращающихся нейтронных звезд в Млечном Пути, измельчила и поглотила почти всю массу своего звездного компаньона и в процессе превратилась в самую тяжелую нейтронную звезду, наблюдаемую до сих пор.

Взвешивание этой рекордной нейтронной звезды, масса которой в 2,35 раза превышает массу Солнца, помогает астрономам понять странное квантовое состояние материи внутри этих плотных объектов, которые полностью коллапсируют и исчезают в виде черной дыры.

«Мы примерно знаем, как ведет себя материя при ядерной плотности, например, как в ядре атома урана», - говорит Алекс Филиппенко, заслуженный профессор астрономии в Беркли. «Нейтронная звезда похожа на одно гигантское атомное ядро, но когда у вас есть полторы солнечных масс этого, то есть ядер в примерно 500 000 земных масс, всех сцепленных вместе, совершенно непонятно, как они будут вести себя».

Роджер В. Романи, профессор астрофизики Стэнфордского университета, отметил, что нейтронные звезды настолько плотные — 1 кубический дюйм весит более 10 миллиардов тонн, — что их звездные ядра являются самой плотной материей во Вселенной, за исключением черных дыр, которые, поскольку они скрыты своими горизонтами событий, невозможно изучить. Таким образом, нейтронная звезда, пульсар под названием PSR J0952-0607, является наиболее плотным объектом в пределах видимости с Земли.

Измерить массу нейтронной звезды стало возможным благодаря чрезвычайной чувствительности 10-метрового телескопа "Keck I" на горе Маунакеа на Гавайях, который смог записать лишь спектр видимого света от горячо сияющей звезды-компаньона, и теперь уменьшилась до размеров большой газообразной планеты. Звезды находятся на расстоянии около 3000 световых лет от Земли в направлении созвездия Секстанта.

Открытый в 2017 году, PSR J0952-0607 называют пульсаром-"черной вдовой" — по аналогии с тенденцией самок пауков-черных вдов после спаривания съедать гораздо более мелких самцов. Филиппенко и Романи изучают системы "черных вдов" уже более десяти лет, надеясь установить верхний предел того, насколько большими могут вырастать нейтронные звезды/пульсары.

«Объединив эти измерения с данными нескольких других "черных вдов", мы показали, что нейтронные звезды должны достичь по крайней мере этой массы, 2,35 плюс-минус 0,17 солнечных масс», - сказал Романи, профессор физики в Стэнфордской школе гуманитарных наук и член Института астрофизики частиц и космологии имени Кавли. «В свою очередь, это дает одни из сильнейших ограничений на свойства материи при плотности в несколько раз больше, чем в атомных ядрах. На самом деле многие популярные модели физики плотной материи исключаются этим результатом».

Исследователи говорят, если 2,35 солнечных масс близки к верхней границе нейтронных звезд, то внутренняя часть, вероятно, является супом из нейтронов, а также верхних и нижних кварков – составных частей обычных протонов и нейтронов – но не экзотической материи, такой как "странные" кварки или каоны (k-мезоны), которые являются частицами, состоящими из странных кварков.

[Для справки. Кварки — элементарные частицы и фундаментальные составляющие материи, которых сегодня известно 6 "ароматов". Сейчас упоминаются верхний u, нижний d и странный s.]

«Высокая максимальная масса нейтронных звезд предполагает, что они являются смесью атомных ядер и растворенных в них верхних и нижних кварков на всем пути к звездному ядру», - сказал Романи. «Это исключает много предполагаемых состояний материи, особенно имеющих экзотический внутренний состав».

Романи, Филиппенко и аспирант Стэнфорда Динеш Кандель являются соавторами статьи, описывающей результаты работы команды, принятой к публикации в журнале The Astrophysical Journal Letters. Препринт доступен на сайте arXiv.org.

Астрономы измерили скорость тусклой звезды (в зеленом круге), лишенной почти всей своей массы невидимым компаньоном, нейтронной звездой и миллисекундным пульсаром, который, по их мнению, является самым массивным из найденных до сих пор и, возможно, верхним пределом для нейтронных звезд. Credit: W. M. Keck Observatory, Roger W. Romani, Alex Filippenko

Насколько большими они могут вырастать?

Астрономы в целом согласны с тем, что когда звезда с ядром более 1,4 солнечной массы коллапсирует в конце своей жизни, она образует плотный, компактный объект с внутренней средой под таким высоким давлением, что все атомы счавливаются вместе, образуя море нейтронов и море их субъядерных составляющих, кварков. Эти нейтронные звезды рождаются вращающимися, и хотя они слишком тусклы, чтобы их можно было увидеть в видимом свете, они проявляют себя как пульсары, испуская пучки света – радиоволны, рентгеновские или даже гамма-лучи, вспыхивающие по Земле по мере вращения пульсаров, подобно лучу маяка.

"Обычные" пульсары вращаются и вспыхивают в среднем один раз в секунду, что легко объяснимо с учетом обычного вращения звезды перед ее коллапсом. Но некоторые пульсары повторяются сотни или до 1000 раз в секунду, что трудно объяснить, кроме как тем, что материя упала на нейтронную звезду и раскрутила ее. Но для некоторых миллисекундных пульсаров компаньона не видно.

Одно из возможных объяснений изолированных миллисекундных пульсаров состоит в том, что у каждого когда-то был компаньон, но он превратился в ничто.

«Эволюционный путь совершенно увлекателен. Двойной восклицательный знак», - говорит Филиппенко. «Когда звезда-компаньон эволюционирует и начинает превращаться в красного гиганта, материал перетекает на нейтронную звезду, и это раскручивает нейтронную звезду. Раскручиваясь, она становится невероятно энергичной, и из нейтронной звезды начинает вылетать ветер частиц. Затем этот ветер начинает сдирать с нее материал, и впоследствии масса звезды-донора уменьшается до массы планеты, а если пройдет еще больше времени, она исчезнет совсем, вот как могли образоваться одинокие миллисекундные пульсары, поначалу они не были одинокими – сначала они не были одинокими — сначала они должны были быть в бинарной паре — но они постепенно испарили своих компаньонов, и теперь одиноки».

Пульсар PSR J0952-0607 и его тусклая звезда-компаньон подтверждают такую историю происхождения миллисекундных пульсаров.

«Эти планетоподобные объекты являются остатками нормальных звезд, которые внесли свою массу и угловой момент, раскрутив свои пульсары до миллисекундных периодов и увеличив их массу в процессе», - сказал Романи.

«В случае космической неблагодарности пульсар-"черная вдова", поглотивший большую часть своего компаньона, теперь нагревает и испаряет компаньона до планетарной массы и, возможно, до полной аннигиляции», - сказал Филиппенко.

Пульсары-пауки включают красных вдов и тидарренов

Поиск пульсаров-"черных вдов", у которых компаньон мал, но не очень мал для обнаружения, является одним из немногих способов взвесить нейтронные звезды. В случае этой бинарной системы звезда-компаньон, масса которой сейчас в 20 раз больше массы Юпитера, искажена массой нейтронной звезды и приливной блокировкой, подобно тому, как наша Луна зафиксирована на орбите таким образом, что мы видим лишь одну ее сторону. Сторона, повернутая к нейтронной звезде, нагрета до температуры около 6 200 Кельвинов или 6000 градусов по Цельсию, что немного жарче, чем наше Солнце, и достаточно ярко, чтобы увидеть ее в большой телескоп.

Филиппенко и Романи поворачивали телескоп "Keck I" на PSR J0952-0607 шесть раз за последние четыре года, каждый раз наблюдая с помощью "Спектрометра визуализации низкого разрешения" по 15 минут, чтобы поймать тусклого компаньона в определенных точках на 6,4-часовой орбите пульсара. Сравнивая спектры со спектрами подобных солнцеподобных звезд они смогли измерить орбитальную скорость звезды-компаньона и рассчитать массу нейтронной звезды.

Филиппенко и Романи изучили около дюжины систем "черных вдов", но только шесть из них имели звезд-компаньонов, достаточно ярких, чтобы рассчитать их массу. Все изучаемые нейтронные звезды менее массивны, чем пульсар PSR J0952-060. Они надеются изучить больше пульсаров-"черных вдов", а также их родственников: красноспинных — пульсаров, названных так в честь австралийского эквивалента "черных вдов", у которых компаньоны ближе к десятой части массы Солнца; и тех, кого Романи назвал тидарренами, где компаньон составляет около одной сотой солнечной массы – в честь родственника паука "черной вдовы". Самец этого вида, Tidarren sisyphoides, составляет около 1% от размера самки.

«Мы можем продолжать искать "черных вдов" и другие подобные нейтронные звезды, которые еще ближе подбираются к пределу черной дыры. Но если мы их не найдем, это усилит аргументацию в пользу того, что 2,3 солнечных масс — это действительно предел, за которым они становятся черными дырами», - сказал Филиппенко.

«Это прямо на грани возможностей телескопа Кека, поэтому если не будет фантастических условий для наблюдений, усиление измерений PSR J0952-0607, вероятно, ожидает эры 30-метровых телескопов», - добавил Романи.

Другими соавторами статьи в ApJ Letters являются исследователи Калифорнийского университета Беркли Томас Бринк и ВэйКан Чжэн.

На этом видео НАСА от 2014 года рассказывается о пульсарах-"черных вдовах" и о том, как астрономы обнаружили один из них под названием PSR J1311-3430, первый в своем роде, найденный исключительно благодаря наблюдениям гамма-излучения.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.