Загадъчните сърца на неутронните звезди

0
1020

Когато една масивна звезда умира и се превръща във свръхнова, нейният взрив е само началото на края. По-голямата част от звездната материя се разпръсква на всички страни, но желязното сърце на звездата си остава на мястото. Това ядро има около два пъти по-голяма маса от нашето Слънце и бързо се свива до сфера с радиус десетина-двадесет километра. Ужасяващото вътрешно налягане е достатъчно, за да свие Еверест до размерите на захарно кубче. Това въздействие превръща субатомните частици като протони и електрони, в неутрони.

Астрономите знаят много за това, как точно се раждат неутронните звезди. Но какво точно се случва в техните свръхплътни ядра, си остава тайна. Някои учени са на мнение, че те се състоят единствено от неутрони. Други считат, че невероятното налягане изключително силно уплътнява веществото близо до центъра в по-екзотични частици и това е някакво друго състояние на материята. Сега, след години на дълги спорове, учените се приближиха до разгадаването на тази тайна, главно благодарение на инструмента, наскоро качен в МКС с име „Изследване вътрешния състав на неутронната звезда“ (NICER).

През месец декември миналата година тази космическа обсерватория представи на астрономите най-точните досега измервания на масата и радиуса на неутронна звезда, както и съвсем неочаквани данни за нейното магнитно поле. Редица други данни постъпват от изследователските центрове, занимаващи се с гравитационни вълни, чрез които може да се наблюдава по какъв начин се изкривяват неутронните звезди при сблъскване. Обединяването на тези наблюдения дават възможност на изследователите да направят необходимите изводи за това, какво има във вътрешността на неутронните звезди. За много учени от тази област това е повратен момент в изучаването на един от най-загадъчните обекти във Вселената.

„Това е началото на златния век на физиката на неутронните звезди“ – заяви физикът-теоретик Юрген Шафнър Билич от университета Гьоте, Германия.

Изведеният през 2017 година в космоса на борда на ракетата SpaceX Falcon 9 с цена $62 милиона NICER, бе позициониран извън пределите на МКС и регистрира рентгеновите лъчи излъчвани от пулсарите – въртящи се неутронни звезди, които изпускат заредени частици във вид на тесни лъчи, които с еднаква периодичност достигат Земята. Рентгеновите лъчи се излъчват от горещите точки на северния и южния магнитен полюс на пулсарите с температури от няколко милиона градуса, където мощното магнитно поле откъсва заредените частици от повърхността и ги изпраща в космоса.

NICER на борда на МКС

NICER регистрира тези рентгенови лъчи с помощта на 56 позлатени пластинки и отбелязва времето на тяхното пристигане с точност от 100 милисекунди. Уредът дава възможност точно да се проследяват горещите точки на неутронните звезди, когато те се въртят със скорост до 1000 оборота в секунда. Гравитацията на тези космически тела е изключително голяма и те толкова силно изкривяват пространствено-времевия континуум, че NICER улавя излъчването на неутронни звезди, горещите точки на които не са насочени към Земята.

Общата теория на относителността на Айнщайн дава възможност за изчисляване на съотношението на масата на звездата към нейния радиус чрез величината на изкривяване на светлината. Тези и някои други наблюдения дават възможност на астрофизиците с голяма точност да определят масите и радиусите на подобни мъртви звезди, И още, именно тези две свойства дават възможност да се разбере какво става в сърцата на на неутронните звезди.

Дълбоката и тъмна тайна

Колкото повече се опитваме да разберем за неутронните звезди, толкова по-сложни започват те да изглеждат. Счита се, че под тънката атмосфера, включваща предимно водород и хелий, тези остатъци от звезди имат външна кора с дебелина едва един-два сантиметра, включваща атомни ядра и свободно движещи се електрони. Учените предполагат, че йонизираните елементи са пакетирани в следващия слой и създават кристална решетка във вътрешната кора. Още по-надолу налягането е толкова голямо, че почти всички протони се съединяват с електроните и се превръщат в неутрони. А това, което става още по-надълбоко, засега е покрито с мъгла.

Физиците имат някаква представа какво се случва там, благодарение на ускорителите на частици на Земята. В големия адронен колайдър на CERN близо до Женева изследователите сблъскват тежките атоми на оловото и златото, за да създадат малки количества от свръхплътен материал. Тези кинетични експерименти генерират пикове с температури милиарди и дори трилиони градуси, в които протоните и неутроните се превръщат в супа от техните съставки – кварки и глуони. Днешните прибори почти нищо не успяват да засекат в тези твърде сложни условия.

Напълно е възможно кварките и глуоните свободно да се движат във вътрешността на неутронните звезди. А може би екстремалните енергии създават частици, които учените наричат хиперони. Подобно на неутроните, хипероните са съставени от три кварка. Само че неутроните са съставени от най-опростените и нискоенергийни кварки, известни като горен и долен кварк, а в хипероните единият от тях е заменен с така наречения“странен“ кварк. Според друга теория, сърцето на неутронната звезда е кондензат на Бозе-Айнщайн – състояние на материята, при което всички субатомни частици действат като единно квантово-механично цяло.

Предполагаемият състав на неутронните звезди

Важно е да се отбележи, че всеки теоретичен модел директно зависи от колосалната гравитация на неутронната звезда. Те имат различни радиуси и маси и следователно – различно вътрешно налягане. Така например, неутронна звезда, съставена само от Бозе-Айнщайн кондензата, вероятно ще има по-малък радиус от неутронна звезда, която изцяло е съставена от обикновени неутрони. А неутронната звезда с хипреонно ядро ще има още по-малък радиус.

За да се изясни, коя от тези хипотези биха могли да бъдат верни, са необходими точни измервания на размерите и масите на неутронните звезди. Но засега не постигнато необходимото ниво. Астрономите обикновено изчисляват масите на неутронните звезди, когато те са по двойки. Когато тези обекти се въртят един около друг, те си оказват гравитационно влияние, по което физиците могат да определят техните маси.

Методът за измерване на горещите точки за първи път бе използван в рентгеновата лаборатория XMM-Newton на Европейската космическа агенция, която бе изведена в космоса през 1999 година. Съвременният NICER е четири пъти по-чувствителен и има стотици пъти по-добра времева резолюция.

През следващите две-три години ще започне използването на по-точни методи за определяне масата и габаритите на неутронните звезди с точност до половин километър. С подобна точност може да започне изграждането на така нареченото Уравнение на състоянието на неутронната звезда, което свързва нейната маса с радиуса, или което е еквивалентно – вътрешното налягане с плътността.

Усърден труд

Първата цел на NICER бе J0030+0451 – изолиран пулсар, който се върти със скорост около 200 пъти в секунда и се намира на 337 парсека (1100 светлинни години) от Земята, в съзвездието Риби.

Пулсарът J0030+0451 с възможните горещи точки

Учените внимателно изучиха натрупаните 850 часа наблюдения. Тъй като кривите на блясъка на горещите точки са твърде сложни, бяха използвани суперкомпютри за моделирането на различните конфигурации. Оказа се, че масата на J0030 е с 1,3-1,4 пъти по-голяма от тази на Слънцето, като радиусът на тази неутронна звезда е около 13 км.

Голяма изненада за изследователите се оказа формата и положението на горещите точки. Каноничният вид на неутронните звезди предполага, че линиите на тяхното магнитно поле приличат на тези около пръчковидния магнит със северен и положителен полюс в различните краища. Но суперкомпютрите представиха два много по-различни модела. Според единия, горещите точки на J0030 се намират в южното полукълбо, като едната от тях има формата на полумесец. Вторият модел показва сценарий с три точки – две южни овални и една кръгла близо до въртящия се южен полюс.

Има и още нещо. Ако пулсарът има звезда компаньон, въртяща се около него, той може да открадне от нейния материал, с което ще приеме и ъгловия момент на своя партньор, а това силно ще ускори въртенето на пулсара.

Изтеглено от компаньона вещество се наслоява на повърхността на пулсара и може да въздейства на слоя подповърхностни неутрони, създавайки гигантски вихри, които извиват магнитното поле нас неутронната звезда в много сложни и странни структури. В крайна сметка, звездата партньор може да бъде напълно погълната или да загуби толкова маса, че да изгуби гравитационната си свързаност с пулсара и да отлети, както се е случило със самотния днес квазар J0030.

Космически канибализъм

Гравитацията

Астрономите предполагат, че NICER ще успее да намери две еднакви неутронни звезди с еднаква маса, но с различни радиуси. Това предполага наличието на точка на преход, в която различията в началните условия са създали две различни ядра. Едното от тях би могло да е съставено само от неутрони, а другото от много по-екзотична материя.

NICER не е единственият инструмент, който се използва за изучаването вътрешността на пулсарите. През 2017 година американската лазерна интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) заедно с гравитационния детектор Virgo в Италия уловиха сигнал от две неутронни звезди, които са се слели в една след дълъг гравитационен танц.

Когато тези обекти се въртят един около друг, те излъчват гравитационни вълни, които включват информация за размерите и структурата на тези звезди. Колосалното гравитационно въздействие на всяка една от тези неутронни звезди притегля и деформира партньора, като по този начин и двете тела придобиват капкообразна форма. Изкривяванията в последните моменти от живота на подобни две неутронни звезди дават на физиците ключ към разбирането на податливостта на материята в тяхната вътрешност.

Гравитационните вълни от сблъскването на две неутронни звезди

Очаква се,  гравитационният вълнов детектор Kamioka в Япония да започне да работи тази година, а индийската обсерватория за гравитационни наблюдения да започне да работи през 2024 година. В съчетание с гравитационните детектори LIGO и Virgo те ще повишат чувствителността и се очаква да могат да уловят в детайли моментите, водещи към сблъскването на две неутронни звезди. А за 2027 година е планирано извеждането в космоса на европейско-китайския сателит eXTP, който ще изучава както изолираните, така и двойните неутронни звезди, за да може да бъде уточнено Уравнението на състоянието на неутронната звезда.

Сърцата на неутронните звезди навярно винаги ще имат тайни. Но по всичко личи, че физиката в най-близко бъдеще ще започне да разбира тяхното вътрешно устройство.

„Това е една отдавнашна главоблъсканица, която разбираме, че никога няма да решим докрай“ – твърди Джосълин Род, астрофизик от университета на Калифорния. „Вече стигнахме до момента, когато научната общественост ще може да отговори на основните въпроси за структурата на неутронните звезди. Очаквам това да се случи през следващото десетилетие“.

5 7 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
0 Коментара
Отзиви
Всички коментари