Ученые взвесили нейтронную звезду, чтобы взглянуть на странную физику внутри

Нейтронные звезды — одни из самых экстремальных объектов во Вселенной. Сформированные из коллапса ядер звезд-сверхгигантов, они весят больше нашего Солнца, но при этом сжаты в сферу размером с город.

Плотные ядра этих экзотических звезд содержат материю, сплющенную в уникальные состояния, которые мы невозможно воспроизвести и изучить на Земле. Вот почему НАСА поставило перед собой задачу изучить нейтронные звезды и узнать о физике, управляющей веществом внутри них.

Мои коллеги и я помогаем им. Мы использовали радиосигналы быстро вращающейся нейтронной звезды, чтобы измерить ее массу. Это позволило ученым, работающим с данными НАСА, измерить радиус звезды, что, в свою очередь, дало нам наиболее точную информацию о странной материи внутри.

Что находится внутри нейтронной звезды?

Материя в ядре нейтронных звезд даже плотнее ядра атома. Будучи самой плотной стабильной формой материи во Вселенной, она сжимается до предела и находится на грани коллапса в черную дыру.

Понимание того, как материя ведет себя в этих условиях, является ключевым испытанием наших теорий о фундаментальная физика.

Миссия НАСА по исследованию внутреннего состава нейтронной звезды (NICER) пытается разгадать тайны этой экстремальной материи.

NICER — рентгеновский телескоп на Международной космической станции. . Он обнаруживает рентгеновские лучи, исходящие из горячих точек на поверхности нейтронных звезд, где температура может достигать миллионов градусов.

Ученые моделируют время и энергию этих рентгеновских лучей, чтобы нанести на карту горячие точки и определить массу и размер нейтронных звезд.

Знание того, как размеры нейтронных звезд связаны с их массами, позволит раскрыть «уравнение состояния» материи в их ядрах. Это говорит ученым, насколько мягкой или твердой – насколько «сжимаемой» является нейтронная звезда и, следовательно, из чего она состоит.

Более мягкое уравнение состояния предполагает, что нейтроны в ядре распадаются на экзотический суп из более мелких частиц. Более сложное уравнение состояния может означать, что нейтроны сопротивляются, что приводит к образованию более крупных нейтронных звезд.

Уравнение состояния также определяет, как и когда нейтронные звезды разрываются при столкновении.

Решение задачи загадка с соседкой нейтронной звезды

Одной из основных целей NICER является нейтронная звезда PSR J0437-4715, ближайший и самый яркий миллисекундный пульсар.

Пульсар — это нейтронная звезда который излучает лучи радиоволн, которые мы наблюдаем в виде импульсов каждый раз, когда вращается нейтронная звезда.

Этот конкретный пульсар вращается 173 раза в секунду (со скоростью блендера). Мы наблюдаем его уже почти 30 лет с помощью Мурриянга, радиотелескопа CSIRO в парке Паркс в Новом Южном Уэльсе.

Команда, работающая с данными NICER, столкнулась с проблемой, связанной с этим пульсаром. Рентгеновские лучи, исходящие из соседней галактики, затрудняли точное моделирование горячих точек на поверхности нейтронной звезды.

К счастью, нам удалось использовать радиоволны, чтобы найти независимое измерение массы пульсара. Без этой важной информации команда не смогла бы определить правильную массу.

Взвешивание нейтронной звезды зависит от времени

Чтобы измерить массу нейтронной звезды, мы полагаемся на описанный эффект согласно общей теории относительности Эйнштейна, называемой задержкой Шапиро.

Массивные и плотные объекты, такие как пульсары – и в данном случае их звезда-компаньон, белый карлик – искажают пространство и время. Пульсар и этот спутник вращаются вокруг друг друга каждые 5,74 дня.

Когда импульсы от пульсара доходят до нас через сжатое пространство-время, окружающее белый карлик, они задерживаются на микросекунды.

Такие микросекундные задержки легко измерить с помощью Мурриянга по пульсарам, таким как PSR J0437-4715, и другим подобным ему миллисекундным пульсарам. регулярно наблюдаются в рамках проекта Parkes Pulsar Timing Array, который использует эти пульсары для обнаружения гравитационных волн.

Поскольку PSR J0437-4715 находится относительно близко к нам, его орбита, с нашей точки зрения, кажется слегка колеблющейся, поскольку Земля движется вокруг Солнца. Это колебание дает нам больше деталей о геометрии орбиты. Мы используем это вместе с задержкой Шапиро, чтобы найти массы спутника белого карлика и пульсара.

Масса и размер PSR J0437-4715

Мы рассчитали, что масса Этот пульсар типичен для нейтронной звезды, его масса в 1,42 раза больше нашего Солнца. Это важно, поскольку размер этого пульсара также должен быть размером с типичную нейтронную звезду.

Ученые, работавшие с данными NICER, смогли затем определить геометрию горячих точек рентгеновского излучения и вычислить, что Радиус нейтронной звезды составляет 11,4 километра. Эти результаты дают наиболее точную точку привязки, когда-либо найденную для уравнения состояния нейтронной звезды при промежуточных плотностях.

Наша новая картина уже исключает самые мягкие и самые сложные уравнения состояния нейтронной звезды. Ученые продолжат расшифровывать, что именно означает присутствие экзотической материи во внутренних ядрах нейтронных звезд.

Теории предполагают, что эта материя может включать кварки, покинувшие свои обычные дома внутри более крупных частиц или редких частиц. известный как гипероны.

Эти новые данные добавляются. к новой модели внутреннего строения нейтронных звезд, которая также была основана на наблюдениях гравитационных волн от сталкивающихся нейтронных звезд и связанного с ними взрыва, называемого килоновой.

Мюрриянг имеет долгую историю оказания помощи в миссиях НАСА и был широко использовался в качестве основного приемника видеозаписи большей части лунной прогулки Аполлона-11.

Теперь мы использовали этот культовый телескоп, чтобы «взвесить» физику недр нейтронных звезд, углубляя наше фундаментальное понимание Universe.

Дэниел Рирдон, постдокторант в области синхронизации пульсаров и гравитационных волн, Технологический университет Суинберна

Эта статья переиздана из журнала The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.