До сих пор мало что известно о недрах нейтронных звезд, чрезвычайно компактных объектов, которые образуются после смерти звезды. Масса, соизмеримая с нашим солнцем или больше, сжимается в сферу диаметром с крупный город. С момента их открытия более 60 лет назад ученые пытались изучить их структуру.
Самой большой проблемой является моделирование экстремальных условий внутри нейтронных звезд, поскольку их вряд ли можно воссоздать в лаборатории на Земле. Поэтому существует множество моделей, в которых различные свойства — от плотности до температуры — описываются с помощью так называемых уравнений состояния. Эти уравнения пытаются описать структуру нейтронных звезд от звездной поверхности до внутреннего ядра.
Однако физикам из Университета Гёте во Франкфурте удалось добавить к головоломке несколько важных кусочков. Рабочая группа под руководством профессора Лучано Резоллы из Института теоретической физики разработала более миллиона различных уравнений состояния, которые удовлетворяют все ограничения установленные данными, полученными как из теоретической ядерной физики, так и из астрономических наблюдений. Их работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.
Оценивая уравнения состояния, рабочая группа сделала неожиданное открытие: «легкие» нейтронные звезды (с массой менее примерно 1,7 массы Солнца), по-видимому, имеют мягкую мантию и жесткое ядро, тогда как «тяжелые» нейтронные звезды (с массами более 1,7 массы Солнца) вместо этого имеют жесткую мантию и мягкое ядро.
«Этот результат очень интересен, потому что он дает нам прямую меру того, насколько сжимаемым может быть ядро нейтронных звезд, — говорит профессор Лучано Резолла. — Нейтронные звезды, по-видимому, ведут себя немного как шоколадные конфеты: фундук в центре, окруженный мягким шоколадом в одном случае, конфеты с твердым слоем шоколада мягкой начинкой в другом».
Решающее значение для этой находки имела скорость звука, которую изучал студент бакалавриата Синан Алтипармак. Эта количественная мера описывает, насколько быстро звуковые волны распространяются внутри объекта, и зависит от того, насколько жесткой или мягкой является материя. Здесь, на Земле, скорость звука используется для исследования недр планеты и обнаружения месторождений нефти.
Смоделировав уравнения состояния, физики также смогли раскрыть другие ранее необъяснимые свойства нейтронных звезд. Например, вне зависимости от их массы, они, как правило, имеют радиус всего 12 км. Таким образом, их диаметр соизмерим с Франкфуртом, родным городом Университета Гёте.
Автор исследования доктор Кристиан Экер объясняет: «Наше обширное численное исследование позволяет нам не только делать прогнозы радиусов и максимальных масс нейтронных звезд, но и устанавливать новые ограничения на их деформируемость в двойных системах или насколько сильно они искажают друг друга через свои гравитационные поля. Эти идеи станут особенно важными для точного определения еще неизвестного уравнения состояния с будущими астрономическими наблюдениями и обнаружением гравитационных волн от сливающихся звезд».