Используя более 10 миллионов случайно сгенерированных уравнений состояния, которые удовлетворяют требованиям ядерной физики и соответствуют астрономическим наблюдениям, астрофизики из Института теоретической физики Университета Гёте и других организаций создали новое описание скорости звука в нейтронных звездах. Их результаты показывают, что «тяжелые» нейтронные звезды имеют жесткую мантию и мягкое ядро, а «легкие» нейтронные звезды имеют мягкую мантию и жесткое ядро.
Нейтронные звезды отличаются огромной плотностью своего вещества. Масса большинства известных нейтронных звезд составляет от 1,3 до 1,5 массы Солнца, а диаметр — 10–15 километров. Нейтронные звезды были теоретически предсказаны Львом Ландау в начале 1930-х годов и открыты в конце 1960-х как радиопульсары — источники периодического радиоизлучения. Позже стало ясно, что это излучение исходит от быстро вращающихся нейтронных звезд. Частота их вращения достигает сотен оборотов в секунду. Эти звезды представляют собой заключительную фазу эволюции тяжелых звезд. Когда у звезды с массой от 10 до 30 солнечных заканчивается материал для термоядерных реакций, происходит коллапс ее ядра со вспышкой сверхновой, и в итоге возникает новый объект — нейтронная звезда. В нашей галактике Млечный Путь открыто более двух с половиной тысяч нейтронных звезд. А в апреле 2018 года нейтронную звезду впервые удалось открыть за пределами нашей галактики.
«Мы разработали более миллиона различных уравнений состояния, которые удовлетворяют ограничениям, установленным данными, полученными из теоретической ядерной физики, с одной стороны, и астрономическими наблюдениями — с другой, — рассказывает профессор Университета Гёте Лучано Реццолла (Luciano Rezzolla). — При оценке уравнений состояния мы сделали удивительное открытие: легкие нейтронные звезды (с массой менее примерно 1,7 массы Солнца), по-видимому, имеют мягкую мантию и жесткое ядро, тогда как тяжелые нейтронные звезды (с массой более 1,7 массы Солнца), наоборот, имеют жесткую мантию и мягкое ядро. Результат очень интересен, потому что он дает нам прямую меру того, насколько сжимаемым может быть центр нейтронных звезд. Нейтронные звезды, по-видимому, ведут себя немного как шоколадные пралине: легкие звезды напоминают те шоколадные конфеты, в центре которых есть лесной орех, окруженный мягким шоколадом, тогда как тяжелые звезды можно рассматривать скорее как те шоколадные конфеты, в которых твердый слой содержит мягкую начинку».
Решающее значение для этого вывода имеет скорость звука. Скорость распространения звуковой волны внутри объекта определяется упругостью и плотностью среды. На Земле, это свойство скорости звука используется для исследования недр планеты и обнаружения месторождений нефти.
С помощью моделирования уравнений состояния физики также смогли понять ранее необъяснимые внутренние свойства нейтронных звезд. Например, вне зависимости от массы эти компактные объекты, скорее всего, имеют радиус всего 12 км. «Наше обширное численное исследование позволяет не только делать прогнозы радиусов и максимальных масс нейтронных звезд, но и устанавливать новые ограничения на их деформируемость в двойных системах, то есть на то, насколько сильно они искажают друг друга своими гравитационными полями, — говорит Кристиан Экер из Университета Гёте. — Эти идеи станут особенно важными для точного определения неизвестного уравнения состояния с будущими астрономическими наблюдениями и обнаружением гравитационных волн от слияния звезд. Итак, хотя точная структура и состав вещества внутри нейтронных звезд по-прежнему остаются загадкой, ожидание ее открытия, безусловно, можно подсластить парой шоколадок».
Результаты опубликованы в двух статьях в Astrophysical Journal Letters.
