Екзотичні об’єкти, що швидко охолоджуються, переписують фізику нейтронних зірок

Останні спостереження, зроблені телескопами XMM-Newton Європейського космічного агентства НАСАТелескоп NASA Chandra виявив три надзвичайно холодні молоді нейтронні зірки, кинувши виклик поточним моделям, показавши, що вони охолоджуються набагато швидше, ніж очікувалося.

Цей результат має значні наслідки, припускаючи, що лише деякі з багатьох пропозицій Нейтронна зірка Ці моделі є працездатними та вказують на можливість прориву в об’єднанні теорій загальної теорії відносності та квантової механіки через астрофізичні спостереження.

Відкриття надзвичайно холодних нейтронних зірок

Обсерваторія Ньютона ESA XMM і обсерваторія Чандра NASA виявили три молоді нейтронні зірки, які надзвичайно холодні для свого віку. Порівнюючи їхні властивості з різними моделями нейтронних зірок, вчені дійшли висновку, що низькі температури дивних зірок виключають приблизно 75% відомих моделей. Це великий крок до розкриття єдиного «рівняння стану» нейтронної зірки, яке керує ними всіма, з важливими наслідками для фундаментальних законів Всесвіту.

Поряд з чорними дірами нейтронні зірки є одними з найбільш загадкових об’єктів у Всесвіті. Нейтронна зірка утворюється в останні моменти життя дуже великої зірки (більш ніж у вісім разів перевищує масу нашого Сонця), коли ядерне паливо в її ядрі зрештою закінчується. У результаті раптового та жорстокого завершення зовнішні шари зірки викидаються з величезною енергією під час вибуху наднової, залишаючи за собою дивовижні хмари міжзоряного матеріалу, багатого пилом і важкими металами. У центрі хмари (туманності) щільне ядро ​​зірки стискається, утворюючи нейтронну зірку. Чорна діра також може утворитися, якщо маса ядра, що залишилася, перевищує приблизно три маси Сонця. Авторське право: Європейське космічне агентство

Екстремальна щільність і невідомі стани речовини

Після чорних дір із зоряною масою нейтронні зірки є найщільнішими об’єктами у Всесвіті. Кожна нейтронна зірка є компактним ядром гігантської зірки, яке залишається після вибуху зірки в надновій. Після закінчення палива ядро ​​зірки руйнується під дією сили тяжіння, а її зовнішні шари вилітають у космос.

Матерія в центрі нейтронної зірки настільки щільно стиснута, що вчені досі не знають, яку форму вона приймає. Нейтронні зірки отримали свою назву через те, що під цим величезним тиском навіть атоми руйнуються: електрони зливаються з атомними ядрами, перетворюючи протони на нейтрони. Але це може стати ще дивнішим: екстремальна спека та тиск можуть стабілізувати більш екзотичні частинки, які не виживають в інших місцях, або частинки можуть розплавитися разом у закрученому супі з їх складових кварків.

У нейтронній зірці (ліворуч) кварки, що утворюють нейтрони, обмежені нейтронами. У кварковій зірці (праворуч) кварки вільні, тому вони займають менше місця, а діаметр зірки менший. Автор зображення: NASA/XC/M. Вайс

Те, що відбувається всередині нейтронної зірки, описується так званим «рівнянням стану», яке є теоретичною моделлю, яка описує фізичні процеси, які можуть відбуватися всередині нейтронної зірки. Проблема в тому, що вчені ще не знають, яке із сотень можливих рівнянь моделей стану є правильним. Хоча поведінка окремих нейтронних зірок може залежати від таких властивостей, як їх маса або швидкість обертання, усі нейтронні зірки повинні дотримуватися одного рівняння стану.

Наслідки спостережень охолодження нейтронних зірок

Досліджуючи дані обсерваторії Ньютона ESA XMM і обсерваторії Чандра NASA, вчені виявили три надзвичайно молоді та холодні нейтронні зірки, які в 10-100 разів холодніші за своїх ровесників. Порівнюючи їхні властивості зі швидкостями охолодження, передбаченими різними моделями, дослідники дійшли висновку, що присутність цих трьох екзотичних зірок виключає більшість із запропонованих рівнянь стану.

«Молодий вік і холодну температуру поверхні цих трьох нейтронних зірок можна пояснити лише за допомогою механізму швидкого охолодження, оскільки посилене охолодження може бути активовано лише певними рівняннями стану, це дозволяє нам виключити велику частину можливих моделей. ”, – пояснює фізик Нанда Реа, дослідницька група якого працює в Інституті космічних наук (ICE-CSIC) та Інститут космічних досліджень Каталонії (Міжнародна комісія з атомної енергії) вів розслідування.

Об’єднання теорій шляхом вивчення нейтронної зірки

Відкриття справжнього рівняння стану нейтронної зірки також має важливі наслідки для фундаментальних законів Всесвіту. Відомо, що фізики поки не знають, як пов’язати теорію загальної відносності (яка описує вплив гравітації у великих масштабах) з квантовою механікою (яка описує те, що відбувається на рівні частинок). Нейтронні зірки є найкращим полігоном для цього, оскільки вони мають щільність і гравітацію, які набагато перевершують усе, що ми можемо створити на Землі.

Нейтронні зірки — це компактні ядра гігантських зірок, які залишаються після того, як зірка вибухає надновою. Він настільки щільний, що кількість речовини нейтронної зірки, еквівалентна кубику цукру, важить стільки ж, скільки все населення Землі! Автор зображення: Європейське космічне агентство

Об’єднання зусиль: чотири кроки до відкриття

Три дивні нейтронні зірки настільки холодні, що вони занадто слабкі, щоб їх побачити більшість рентгенівських обсерваторій. «Висока чутливість обсерваторій XMM-Newton і Chandra дозволила не тільки виявити ці нейтронні зірки, але й зібрати достатньо світла для визначення їхніх температур та інших властивостей», — каже Каміль Дієз, науковий співробітник ESA, яка працює над XMM. -Дані Ньютона.

Однак чутливі вимірювання були лише першим кроком до того, щоб зробити висновки про те, що означають ці дивацтва для рівняння стану нейтронної зірки. З цією метою дослідницька група Нанди в ICE-CSIC об’єднала додатковий досвід Алессіо Маріно, Клари Деманн і Константіноса Кувлаки.

Алессіо був піонером у визначенні фізичних властивостей нейтронних зірок. Команда змогла зробити висновок про температуру нейтронних зірок на основі рентгенівських променів, що посилаються з їх поверхні, тоді як розміри та швидкості залишків наднових, що оточують їх, дали точне вказівку на їхній вік.

Потім Клара взяла на себе ініціативу в обчисленні «кривих охолодження» для нейтронних зірок для рівнянь стану, що включають різні механізми охолодження. Це передбачає побудову того, що кожна модель передбачає, як світність нейтронної зірки – характеристика, безпосередньо пов’язана з її температурою – змінюватиметься з часом. Форма цих кривих залежить від багатьох різних властивостей нейтронної зірки, не всі з яких можна точно визначити за допомогою спостережень. З цієї причини команда розрахувала криві охолодження для діапазону можливих мас нейтронних зірок і напруженості магнітного поля.

Нарешті, статистичний аналіз під керівництвом Константіноса зібрав усе разом. Машинне навчання Щоб визначити, наскільки добре змодельовані криві охолодження відповідають властивостям дивних куль, дослідження показало, що рівняння стану без механізму швидкого охолодження мають нульову ймовірність відповідності даним.

«Дослідження нейтронних зірок охоплює багато наукових дисциплін, від фізики елементарних частинок до… Гравітаційні хвилі«Успіх цієї роботи доводить, наскільки важлива командна робота для просування нашого розуміння Всесвіту», — підсумовує Нанда.

Довідка: «Обмеження на рівняння стану щільної матерії молодих холодних ізольованих нейтронних зірок» А. Марино, К. Деман, К. Куфалкас, Н. Реа, Дж. А. Понс, Д. Вігано, 20 червня 2024 р. Природнича астрономія.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y