Учёные установили верхний предел существования небольших нейтронных звёзд

28.12.2024 12:21:00 | iXBT.com

Учёные продолжают исследовать тайны нейтронных звёзд, которые в течение десятилетий привлекают внимание астрофизиков. Недавнее исследование, опубликованное на arXiv, проливает новый свет на свойства этих объектов и их возможное существование.

Большинство известных нейтронных звёзд имеют массу между 1,4 и 2,0 солнечными массами. Верхний предел объясняется тем, что за пределами примерно двух солнечных масс нейтронная звезда бы схлопнулась в чёрную дыру. Нижний предел обусловлен массой белых карликов. В то время как нейтронные звёзды сопротивляются гравитационному коллапсу благодаря давлению между нейтронами, белые карлики сопротивляются гравитации благодаря давлению электронного газа.

Как впервые было обнаружено Субрахманьяном Чандрасекаром в 1930 году, белые карлики могут поддерживать себя только до того, что теперь известно как предел Чандрасекара, или 1,4 солнечной массы. В связи с этим астрофизики полагают, что нейтронная звезда должна иметь хотя бы такую же массу. В противном случае, коллапс остановится на белом карлике. Но это не обязательно так.

«Верно, что при простом гидростатическом коллапсе всё, что меньше 1,4 солнечных масс, останется белым карликом», — комментируют учёные. Более крупные звёзды не просто исчерпывают топливо и схлопываются. Они проходят катастрофические взрывы в виде сверхновой. Если бы такой взрыв быстро сжал центральное ядро, то в итоге получилось бы ядро из нейтронной материи с массой меньше 1,4 солнечных масс.

Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

Вопрос в том, может ли оно быть стабильным в качестве небольшой нейтронной звезды. Это зависит от того, как нейтронная материя держится вместе, что описывается её уравнением состояния. Материя нейтронной звезды управляется уравнением Толмана-Оппенгеймера-Волкова, которое является сложным релятивистским уравнением, основанным на определённых предположенных параметрах. Используя современные данные, уравнение состояния TOV устанавливает верхний предел массы для нейтронной звезды на уровне 2,17 солнечных масс и нижний предел массы около 1,1 солнечных масс. Если учесть параметры самых крайних значений, допустимых наблюдением, то нижний предел может упасть до 0,4 солнечных масс.

Учёные из различных исследовательских центров провели новое исследование, в котором они изучают данные третьего наблюдательного запуска гравитационно-волновых обсерваторий Virgo и Advanced LIGO. Хотя большинство наблюдаемых событий являются слияниями чёрных дыр звёздной массы, обсерватории также могут зарегистрировать слияния между двумя нейтронными звёздами или нейтронной звездой и чёрной дырой-спутником. Сила сигнала этих меньших слияний так близка к уровню шума гравитационно-волновых детекторов, что нужно иметь представление о типе сигнала, который нужно искать, чтобы его обнаружить. Для слияний нейтронных звёзд это осложняется тем, что нейтронные звёзды чувствительны к приливным деформациям. Эти деформации сместят шум сигнала слияния, и чем меньше нейтронная звезда, тем больше деформация.

Команда учёных смоделировала, как нейтронные звёзды с массой ниже массы белого карлика будут приливно деформироваться при слиянии, а затем рассчитала, как это повлияет на наблюдаемый гравитационный шум. Затем они искали такие признаки в данных третьего наблюдательного запуска.

Хотя команда не нашла доказательств существования небольших нейтронных звёзд, они смогли установить верхний предел на гипотетическую скорость таких слияний. По сути, учёные обнаружили, что не может быть более 2000 наблюдаемых слияний, включающих нейтронную звезду до 70% массы Солнца.

«Мы всё ещё в начале нашего понимания нейтронных звёзд и их свойств. В ближайшие десятилетия у нас будут более чувствительные гравитационные телескопы, которые либо обнаружат небольшие нейтронные звёзды, либо докажут, что они не могут существовать. Это откроет новые возможности для изучения этих загадочных объектов и поможет нам лучше понять тайны Вселенной», — комментируют исследователи.

Подробнее