Матерія всередині нейтронних зір, щільних залишків після вибуху масивних зір, перебуває в найбільш незвичному стані, який можуть виміряти науковці. Тепер завдяки даним, отриманим за допомогою рентгенівського телескопа «Зонд для дослідження внутрішньої будови нейтронних зір» (Neutron star Interior Composition Explorer, NICER), який встановлено на Міжнародній космічній станції, вчені виявили: ця таємнича речовина стискається не так сильно, ніж передбачали деякі фізики.
Висновок базується на спостереженнях NICER наймасивнішої з відомих нейтронних зір PSR J0740 + 6620 (коротше J0740), що міститься від Землі на відстані 3600 світлових років у напрямку сузір’я Жирафа. Об’єкт J0740, що обертається навколо осі 346 разів на секунду, є компонентом подвійної зоряної системи (другий компонент — білий карлик, залишок від сонцеподібної зорі). На основі раніше виконаних спостережень масу нейтронної зорі оцінили приблизно в 2,1 маси Сонця.
«Нас оточує нормальна речовина, повсякденні речі, але ми багато чого не знаємо про те, як поводиться речовина і як вона змінюється в екстремальних умовах», — сказав Завен Арзуманян (Zaven Arzoumanian), керівник наукових досліджень NICER в Центрі космічних польотів імені Ґоддарда NASA у Грінбелті, штат Меріленд. «Вимірюючи розміри та маси нейтронних зір за допомогою NICER, ми досліджуємо матерію на межі її стиснення до стану чорної діри. Як тільки це відбудеться, ми більше не зможемо вивчати матерію, бо вона буде прихована за горизонтом подій чорної діри».
Арзуманян та члени наукової групи, які працюють з NICER,оприлюднили свої висновки 17 квітня 2021 року на віртуальному з’їзді Американського фізичного товариства.
Подивіться, як рентгенівський телескоп «Зонд для дослідження внутрішньої будови нейтронних зір» (Neutron star Interior Composition Explorer, NICER) допомагає фізикам зазирнути всередину нейтронних зір, залишків масивних зірок, що вибухнули як наднові. Науковці хочуть дослідити природу речовини всередині цих об’єктів, де вона існує на межі стиснення до стану чорної діри. Для цього вченим потрібні точні вимірювання маси і розмірів нейтронних зір, які нині є можливими завдяки NICER та іншим зусиллям. Відео з сайту NASA.
Завантажте відео та зображення з високою роздільною здатністю від Студії візуалізації науки NASA.
Наприкінці життя в зорі, масивнішої в багато разів, ніж Сонце, закінчується в ядрі паливо, а тому вона руйнується під власною вагою і вибухає як наднова. Наймасивніші з цих зір, що вибухнули, залишають після себе чорні діри. Легші — нейтронні зорі, які збирають більшу масу, ніж у Сонця, у сферу з поперечником приблизно як довжина острова Мангеттен у Нью-Йорку.
Науковці вважають, що нейтронні зорі мають різні шари. Тонка атмосфера з атомів водню або гелію лежить на твердій поверхні — корі з атомів важких елементів. Швидке збільшення тиску в глиб кори позбавляє атоми електронів. Ще глибше, в зовнішньому ядрі, атомні ядра розпадаються на нейтрони та протони. Величезний тиск розчавлює протони та електрони, спричиняючи появу великої кількості здебільшого нейтронів. «Море» з цих частинок згодом стискається до щільності атомного ядра, тобто значення густини нейтронної речовини подвоюється.
Науковці вважають, що нейтронні зорі мають різні шари. Як показано на цій ілюстрації, стан речовини у їхніх внутрішніх ядрах досі невідомий. Фото з сайту www.nasa.gov.
Але яка форма матерії у внутрішньому ядрі? Це нейтрони до самого центра, чи нейтрони розпадаються на складові частини, які називають кварками?
Це питання цікавить фізиків відтоді, як у 1934 році Вальтер Бааде та Фріц Цвіккі передбачили існування нейтронних зір. Щоб відповісти на нього, астрономам потрібні точні виміри як розмірів, так і маси цих об’єктів. Це дає їм змогу обчислити залежність між тиском і густиною у внутрішньому ядрі зорі та оцінити граничне значення стиснення речовини.
Згідно з усталеними моделями типової нейтронної зорі, такої, яка приблизно в 1,4 рази перевищує масу Сонця, фізики передбачають, що внутрішнє ядро головно буде заповнене нейтронами. Менша густина однозначно вказує на те, що нейтрони містяться досить далеко один від одного, щоб залишатися цілими, і така внутрішня жорсткість спричиняє збільшення розмірів зорі.
У більш масивних нейтронних зір, таких як J0740, щільність внутрішнього ядра набагато вища, а тому нейтрони там містяться ближче один від одного. Незрозуміло, чи можуть нейтрони залишатися цілими за цих умов, чи вони натомість розпадаються на кварки. Теоретики підозрюють, що вони руйнуються під дією високого тиску, але багато питань щодо деталей залишаються відкритими. Щоб отримати відповіді, науковцям потрібні точні вимірювання розміру масивної нейтронної зорі. Менша розмірами зоря відповідала б сценаріям, коли кварки перебувають у вільному стані в її центрі, бо дрібніші частинки можуть бути упаковані більш щільно. Якщо зоря має більші розміри, то можна припустити існування в її надрах складніших форм речовини.
Для отримання точних вимірювань, NICER спостерігає нейтронні зорі, що швидко обертаються навколо власної осі. Їх у 1967 р. відкрила Джоселін Белл Бернелл і такі нейтронні зорі називають пульсарами. Ці об’єкти утворюють яскраві джерела рентгенівських променів. Внаслідок обертання пульсарів такі джерела виходять з поля зору спостерігача, як промені маяка, що спричиняє регулярні зміни в яскравості рентгенівських променів від нейтронної зорі.
Гравітація нейтронної зорі викривляє поруч неї простір-час, як куля для боулінгу, що лежить на батуті. Спотворення досить сильне, щоб перенаправляти випромінювання з невидимого боку зорі до нас. Внаслідок цього зоря здається більшою, ніж є насправді. Фото з сайту www.nasa.gov.
Сила тяжіння пульсарів, внаслідок великої густини речовини, вміщеної в малий об’єм, також деформує навколо них простір-час, як куля для боулінгу, що лежить на батуті. Це спотворення досить сильне, а тому перенаправляє випромінювання з невидимого боку зорі — випромінювання, яке ми інакше не могли б виявити, — до нас, що робить пульсар на вигляд більшим, ніж є насправді. Однакова маса в меншому об’ємі спричиняє більші спотворення. Цей ефект може бути таким сильним, що може привести до повного зникнення гарячих точок (джерел рентгенівського випромінювання — Ред.), коли вони обертаються навколо пульсара.
Науковці мають можливість скористатися цими ефектами, бо NICER вимірює надходження кожного рентгенівського випромінювання з періодом менше, ніж 100 наносекунд. Відстежуючи, як змінюється яскравість рентгенівського випромінювання пульсара, коли він обертається, дослідники можуть з’ясувати, як він спотворює простір-час. Оскільки їм відома маса пульсара, вони можуть за цим спотворенням визначити розміри зорі.
Дві групи науковців застосовували різні підходи до визначення розміру J0740. Група, яку очолюють Томас Райлі (Thomas Riley) та Анна Воттс (Anna Watts) — відповідно докторант і професор астрофізики в Амстердамському університеті, — обчислила, що діаметр пульсара становить 24,8 кілометра. Група під керівництвом Коула Міллера (Cole Miller), професора астрономії з Мерілендського університету, встановила, що поперечник J0740 становить близько 27,4 км. Два результати збігаються в межах своїх похибок, які дають значення діаметра пульсара відповідно від 22,8 до 27,4 км і від 24,4 до 32,6 кілометрів.
На доповнення даних, отриманих від NICER, обидві групи також використовували результати рентгенівських спостережень, виконаних телескопом XMM-Newton Європейського космічного агентства. Ці дані були корисними для врахування шуму тла. Раніше масу J0740 визначили за допомогою радіовимірювань, виконаних науковцями Північноамериканської наногерцевої обсерваторії для гравітаційних хвиль (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) та колаборацією «Канадський експеримент з картографування інтенсивності водню» (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment).
У 2019 р. наукові групи Райлі та Міллера використовували дані NICER для оцінки як розміру, так і маси пульсара J0030 + 0451 (або J0030). Вони встановили, що маса об’єкт приблизно в 1,4 рази перевищує масу Сонця і його поперечник становить 26 кілометрів.
«Наші нові вимірювання J0740 показують, що, хоча він майже на 50% масивніший, ніж J0030, вони по суті мають однакові розміри», — сказала Воттс. «Це кидає виклик деяким моделям нейтронних зір з більш стисненими ядрами, зокрема й тим, де в центрі ядра міститься “море” кварків. Розмір та маса J0740 також створюють проблеми для деяких моделей з менш стисненими ядрами, що містять лише нейтрони та протони».
Теоретичні моделі, розроблені останнім часом, пропонують деякі альтернативи. Наприклад, в них в ядрі нейтронної зорі міститься суміш нейтронів, протонів та екзотичної речовини, складеної з кварків, або ж в таких моделях фігурують нові комбінації кварків. Але всі можливі варіанти треба буде переглянути в контексті цієї нової інформації від NICER.
«Розмір J0740 нас, теоретиків, спантеличив і схвилював», — сказав Санджай Редді (Sanjay Reddy), професор фізики з Вашингтонського університету, який вивчає матерію в екстремальних умовах, але не брав участі в дослідженні. «Вимірювання NICER у поєднанні з іншими спостереженнями в різних обсерваторіях, схоже, підтверджують думку про те, що тиск швидко зростає в масивних ядрах нейтронних зір. Хоча це вказує на те, що треба розглядати в ядрі матерію в більш стиснутому стані, однак наслідки цього ще не повністю зрозумілі».
Група Міллера також визначила, як точно науковці можуть оцінити розмір пульсара, використовуючи вимірювання J0740 і J0030 на основі даних від NICER. Це дослідники зробили для того, щоб доповнити наявну інформацію від інших масивних пульсарів та гравітаційних хвиль, брижі простору-часу, породжених зіткненнями масивних об’єктів, таких як нейтронні зорі та чорні діри.
«Нині ми оцінюємо радіус стандартної нейтронної зорі, яка в 1,4 рази перевищує масу Сонця, з похибкою 5%», — сказав Міллер. «Це як знати розмір Вашингтону, округ Колумбія, з точністю приблизно до 400 метрів. NICER не лише змушує нас переписувати підручники, де йдеться про нейтронні зорі, але й посилює нашу впевненість у правильності вимірювань об’єктів, що є як дуже віддаленими, так і дуже малими».
На додаток до випробування меж речовини, нейтронні зорі також можна використати як нові засоби для дослідження величезних ділянок космосу. У 2018 р. група науковців та інженерів NASA використала NICER, щоб вперше продемонструвати повністю автономну навігацію в космосі за допомогою пульсарів. Це може докорінно покращити нашу здатність управляти автоматичними космічними апаратами в далеких районах Сонячної системи та за її межами.
«NICER був чудовим членом екіпажу», — сказала астронавт NASA Крістіна Кох (Christina Koch), яка працювала бортінженером на космічній станції з березня 2019 року по лютий 2020 року, встановивши рекорд найдовшого одиночного космічного польоту жінки. «Місія NICER демонструє всі найкращі аспекти досліджень, які можна виконувати на цій космічній станцій. Ця новаторська фундаментальна наука, космічна наука та технологічні інновації — все завдяки унікальному середовищу та платформі орбітальної лабораторії».
За інф. з сайту www.nasa.gov підготував Іван Крячко
