Быстро остывающие экзотические объекты переписывают физику нейтронных звезд

Нейтронные звезды — одни из самых плотных объектов во Вселенной. Материя внутри сжимается настолько сильно, что ученые пока не знают, какую форму она принимает. Ядро нейтронной звезды может состоять из густого супа кварков или содержать экзотические частицы, которые не могут жить больше нигде во Вселенной. Изображение предоставлено: ICE-CSIC/D. Фуцелаар/Марино и др., под редакцией

Недавние наблюдения, сделанные телескопами XMM-Newton Европейского космического агентства. НАСАТелескоп НАСА «Чандра» обнаружил три необычайно холодные молодые нейтронные звезды, бросив вызов существующим моделям, показав, что они остывают гораздо быстрее, чем ожидалось.

Этот результат имеет важные последствия, предполагая, что лишь некоторые из многих предложений Нейтронная звезда Эти модели жизнеспособны и указывают на возможность прорыва в соединении теорий общей теории относительности и квантовой механики посредством астрофизических наблюдений.

Открытие необычно холодных нейтронных звезд

Обсерватория XMM Ньютона ЕКА и обсерватория Чандра НАСА обнаружили три молодые нейтронные звезды, необычно холодные для своего возраста. Сравнивая их свойства с разными моделями нейтронных звезд, ученые пришли к выводу, что низкие температуры странных звезд исключают около 75% известных моделей. Это большой шаг к раскрытию «уравнения состояния» единственной нейтронной звезды, которое управляет ими всеми, и имеет важные последствия для фундаментальных законов Вселенной.

Наряду с черными дырами, нейтронные звезды являются одними из самых загадочных объектов во Вселенной. Нейтронная звезда образуется в последние моменты жизни очень большой звезды (более чем в восемь раз превышающей массу нашего Солнца), когда ядерное топливо в ее ядре со временем заканчивается. В результате внезапного и жестокого финала внешние слои звезды выбрасываются с огромной энергией в результате взрыва сверхновой, оставляя после себя удивительные облака межзвездного материала, богатого пылью и тяжелыми металлами. В центре облака (туманности) плотное ядро ​​звезды сжимается, образуя нейтронную звезду. Черная дыра также может образоваться, когда оставшаяся масса ядра превышает примерно три массы Солнца. Авторские права: Европейское космическое агентство

Экстремальная плотность и неизвестные состояния материи

После черных дыр звездной массы нейтронные звезды являются самыми плотными объектами во Вселенной. Каждая нейтронная звезда представляет собой компактное ядро ​​гигантской звезды, которое остается после взрыва звезды в виде сверхновой. После исчерпания топлива ядро ​​звезды разрушается под действием силы тяжести, а ее внешние слои выбрасываются в космос.

Материя в центре нейтронной звезды настолько сильно сжата, что ученые до сих пор не знают, какую форму она принимает. Нейтронные звезды получили свое название от того, что под этим огромным давлением разрушаются даже атомы: электроны сливаются с атомными ядрами, превращая протоны в нейтроны. Но все может стать еще более странным: экстремальное тепло и давление могут стабилизировать более экзотические частицы, которые не выживают в других местах, или же частицы могут расплавиться вместе в кружащемся супе из составляющих их кварков.

В нейтронной звезде (слева) кварки, составляющие нейтроны, заключены внутри нейтронов. В кварковой звезде (справа) кварки свободны, поэтому они занимают меньше места и диаметр звезды меньше. Изображение предоставлено: NASA/XC/M. Вайс

То, что происходит внутри нейтронной звезды, описывается так называемым «уравнением состояния», которое представляет собой теоретическую модель, описывающую физические процессы, которые могут происходить внутри нейтронной звезды. Проблема в том, что ученые еще не знают, какая из сотен возможных моделей уравнений состояния верна. Хотя поведение отдельных нейтронных звезд может зависеть от таких свойств, как их масса или скорость вращения, все нейтронные звезды должны подчиняться одному и тому же уравнению состояния.

Последствия наблюдений за остыванием нейтронных звезд

Изучая данные обсерватории XMM Ньютона ЕКА и обсерватории Чандра НАСА, ученые обнаружили три исключительно молодые и холодные нейтронные звезды, которые в 10–100 раз холоднее своих собратьев того же возраста. Сравнивая их свойства со скоростями остывания, предсказанными различными моделями, исследователи пришли к выводу, что присутствие этих трех экзотических звезд исключает большинство предложенных уравнений состояния.

«Молодой возраст и холодная температура поверхности этих трех нейтронных звезд можно объяснить только с помощью механизма быстрого охлаждения. Поскольку усиленное охлаждение может быть активировано только определенными уравнениями состояния, это позволяет нам исключить большую часть возможных моделей. — объясняет физик Нанда Рея, чья исследовательская группа работает в Институте космических наук (США).ICE-CSIC) и Институт космических исследований Каталонии (Международная комиссия по атомной энергии) руководил расследованием.

Объединение теорий путем изучения нейтронной звезды

Открытие истинного уравнения состояния нейтронной звезды также имеет важные последствия для фундаментальных законов Вселенной. Известно, что физики пока не знают, как связать общую теорию относительности (описывающую эффекты гравитации в больших масштабах) с квантовой механикой (описывающей то, что происходит на уровне частиц). Нейтронные звезды — лучший полигон для этого, потому что их плотность и гравитация намного превосходят все, что мы можем создать на Земле.

Нейтронные звезды — это компактные ядра звезд-гигантов, которые остаются после взрыва звезды в виде сверхновой. Оно настолько плотное, что количество вещества нейтронной звезды, эквивалентное кубику сахара, весит столько же, сколько все население Земли! Изображение предоставлено: Европейское космическое агентство.

Объединение усилий: четыре шага к открытию

Три странные нейтронные звезды настолько холодны, что слишком слабы, чтобы их можно было увидеть большинством рентгеновских обсерваторий. «Превосходная чувствительность обсерваторий XMM-Ньютон и Чандра позволила не только обнаружить эти нейтронные звезды, но и собрать достаточно света, чтобы определить их температуру и другие свойства», — говорит Камилла Диез, научный сотрудник ЕКА, работающая над XMM. -Данные Ньютона.

Однако чувствительные измерения были лишь первым шагом к возможности сделать выводы о том, что эти странности означают для уравнения состояния нейтронной звезды. С этой целью исследовательская группа Нанды в ICE-CSIC объединила дополнительный опыт Алессио Марино, Клары Деманн и Константиноса Кувлаки.

Алессио был пионером в определении физических свойств нейтронных звезд. Команда смогла определить температуру нейтронных звезд по рентгеновским лучам, исходящим от их поверхности, а размеры и скорости окружающих их остатков сверхновых дали точное представление об их возрасте.

Затем Клара возглавила расчет «кривых охлаждения» нейтронных звезд для уравнений состояния, включающих различные механизмы охлаждения. Это влечет за собой построение графика того, что каждая модель предсказывает, как светимость нейтронной звезды (характеристика, непосредственно связанная с ее температурой) будет меняться с течением времени. Форма этих кривых зависит от множества различных свойств нейтронной звезды, не все из которых можно точно определить из наблюдений. По этой причине команда рассчитала кривые охлаждения для диапазона возможных масс нейтронных звезд и напряженности магнитного поля.

Наконец, статистический анализ, проведенный Константиносом, собрал все воедино. Машинное обучение Чтобы определить, насколько хорошо смоделированные кривые охлаждения соответствуют свойствам странных шаров, исследование показало, что уравнения состояния без механизма быстрого охлаждения имеют нулевые шансы на совпадение данных.

«Исследования нейтронных звезд затрагивают многие научные дисциплины, от физики элементарных частиц до… Гравитационные волны«Успех этой работы доказывает, насколько важна командная работа в продвижении нашего понимания Вселенной», — заключает Нанда.

Ссылка: «Ограничения на уравнение состояния плотной материи от молодых холодных изолированных нейтронных звезд» А. Марино, С. Деманн, К. Куфелкас, Н. Ри, Дж.А. Понс, Д. Вигано, 20 июня 2024 г., Естественная астрономия.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y