Новое исследование объединило данные наблюдений с детекторов гравитационных волн, испускаемых сливающимися нейтронными звездами, с экспериментальными данными, полученными на ускорителях частиц. Результаты показывают, что давление вырождения внутри этих звезд намного больше, чем ожидалось.
Недавно группа исследователей из Дармштадта, Германия, и Утрехта, Нидерланды, изучила сверхплотную материю внутри нейтронных звезд. Эксперты объединили наблюдения с детекторов гравитационных волн и обычных телескопов с экспериментальными данными с ускорителей частиц.
Результаты исследования показывают, что многие нейтронные звезды испытывают большее, чем ожидалось, дегенеративное давление внутри себя. В результате некоторые из них имеют больший радиус, чем можно было бы ожидать. На этот результат ранее намекали наблюдения эксперимента Neutron Star Interior Composition Explorer Mission (NICER) на борту МКС.
Нейтронные звезды являются одними из самых экстремальных объектов во Вселенной. Они представляют собой ядра звезд, которые взорвались как сверхновые и, несмотря на диаметр всего 20 километров, имеют массу, в 2,3 раза превышающую массу нашего Солнца. Внутри них давление настолько велико, что отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны сжимаются вместе, образуя тело, состоящее почти полностью из нейтрально заряженных нейтронов.
Термин давление вырождения обозначает неспособность двух частиц - в данном случае нейтронов - находиться на одном энергетическом уровне при их совместном столкновении. Эта неспособность создает противоположное внешнее давление, которое препятствует дальнейшему дроблению нейтронных звезд.
"При высоких давлениях нейтроны стремятся держаться дальше друг от друга", — объясняет Цун Хо Панг, исследователь из Утрехтского университета. "Это приводит к рождению более крупной нейтронной звезды".
В этих моделях эксперты рассмотрели 15 000 возможных вариантов уравнения состояния звезд. Оно описывает свойства материи внутри нейтронной звезды и таким образом определяет ее радиус, но ее окончательная форма пока неизвестна.
Панг и Хут также использовали результаты столкновений ионов золота, разогнанных почти до скорости света на нескольких ускорителях (включая Центр исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца GSI в Дармштадте, Национальную лабораторию имени Лоуренса Беркли и Брукхейвенскую национальную лабораторию в США). Эти столкновения происходят при высоких температурах и низкой плотности, в отличие от космоса, где температура низкая, но плотность объектов, таких как нейтронные звезды, высокая.
"Поскольку данные о столкновениях тяжелых ионов, использованные в нашем анализе, дают нам информацию об области плотности, где ядерная теория и астрофизические наблюдения менее чувствительны, это дает нам новое ограничение на уравнение состояния", — говорит Панг.
Сочетание данных, полученных в результате столкновений и астрофизических наблюдений, позволяет преодолеть разрыв в нашем понимании материи в экстремальных условиях. В частности, результаты нового исследования помогают ученым понять, что происходит во время слияния двух нейтронных звезд.
В этих событиях две нейтронные звезды постепенно приближаются друг к другу, вращаясь по спирали вокруг друг друга. Когда они начинают сливаться, гравитация вызывает деформацию пространства-времени, которая проявляется в гравитационных волнах. Результат зависит от массы и радиуса нейтронных звезд. Нейтронная звезда с большим радиусом будет менее компактной и иметь более слабую гравитацию, что может повлиять на количество обломков, выбрасываемых при слиянии. Эти светящиеся обломки можно обнаружить как взрыв килоновой.
Ожидается, что будущая усовершенствованная версия LIGO, Advanced LIGO, будет улавливать гравитационные волны от гораздо большего числа бинарных слияний нейтронных звезд с более высоким уровнем чувствительности, чем это возможно сейчас. Кроме того, поскольку NICER продолжает проводить независимые измерения лучей пульсаров, астрофизики вскоре смогут установить еще более строгие ограничения на уравнение состояния нейтронных звезд. Таким образом, мы начнем более точно знать, как ведет себя материя в нашей Вселенной.