Космический корабль XMM-Newton Европейского космического агентства и космический корабль NASA Chandra обнаружили три молодые нейтронные звезды, необычно холодные для своего возраста. Сравнивая их свойства с различными моделями нейтронных звезд, ученые пришли к выводу, что низкие температуры чудаков дисквалифицируют около 75% известных моделей. Это большой шаг к раскрытию «уравнения состояния» одной нейтронной звезды, которое управляет ими всеми, и имеет важные последствия для фундаментальных законов Вселенной.
Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.
Материя доведена до крайности
После черных дыр звездной массы нейтронные звезды являются самыми плотными объектами во Вселенной. Каждая нейтронная звезда представляет собой сжатое ядро гигантской звезды, оставшееся после взрыва сверхновой звезды. После исчерпания топлива ядро звезды взрывается под действием силы тяжести, а ее внешние слои выбрасываются в космос.
Материя в центре нейтронной звезды сжата настолько сильно, что ученые до сих пор не знают, какую форму она принимает. Нейтронные звезды получили свое название из-за того, что под этим огромным давлением разрушаются даже атомы: электроны сливаются с атомными ядрами, превращая протоны в нейтроны. Но это может стать еще более странным, поскольку экстремальная температура и давление могут стабилизировать более экзотические частицы, которые больше нигде не выживают, или, возможно, расплавить частицы вместе, превратив их в бурлящий суп из составляющих их кварков.
То, что происходит внутри нейтронной звезды, описывается так называемым « уравнением состояния» — теоретической моделью, которая описывает, какие физические процессы 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.
Слишком холодно
Изучая данные миссий XMM-Newton Европейского космического агентства и миссии NASA Chandra, ученые обнаружили три исключительно молодые и холодные нейтронные звезды, которые в 10–100 раз холоднее своих сверстников того же возраста. Сравнивая их свойства со скоростями охлаждения, предсказанными различными моделями, исследователи приходят к выводу, что существование этих трех чудаков исключает большинство предлагаемых 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 значительную часть возможных моделей. », — объясняет астрофизик Нанда Ри, чья исследовательская группа в Институте космических наук (ICE-CSIC) и Институте космических исследований Каталонии (IEEC) руководила исследованием.
Раскрытие истинного уравнения состояния нейтронной звезды также имеет важные последствия для фундаментальных законов Вселенной. Физики, как известно, пока не знают, как соединить воедино общую теорию относительности (которая описывает эффекты гравитации в больших масштабах) с квантовой механикой (которая описывает то, что происходит на уровне частиц). Нейтронные звезды — лучший полигон для этого, поскольку их плотность и гравитация намного превосходят все, что мы можем создать на Земле.
Объединение усилий: четыре шага к открытию
Три необычные нейтронные звезды настолько холодны, что делают их слишком тусклыми для большинства рентгеновских обсерваторий, чтобы их можно было увидеть. «Превосходная чувствительность XMM-Newton и Chandra позволила не только обнаружить эти нейтронные звезды, но и собрать достаточно света, чтобы определить их температуру и другие свойства», — говорит Камилла Дьес, научный сотрудник ЕКА, работающая с данными XMM-Newton.
Однако чувствительные измерения были лишь первым шагом к возможности сделать выводы о том, что эти чудаки означают для уравнения состояния нейтронной звезды. С этой целью исследовательская группа Нанды в ICE-CSIC объединила взаимодополняющий опыт Алессио Марино, Клары Деман и Константиноса Ковлакаса.
Алессио руководил определением физических свойств нейтронных звезд. Команда смогла определить температуру нейтронных звезд по рентгеновским лучам, исходящим от их поверхности, а размеры и скорости окружающих остатков сверхновых дали точное представление об их возрасте.
Затем Клара возглавила расчет «кривых охлаждения» нейтронной звезды для уравнений состояния, которые включают различные механизмы охлаждения. Это влечет за собой построение графика того, что каждая модель предсказывает, как светимость нейтронной звезды — характеристика, напрямую связанная с ее температурой — меняется со временем.
Форма этих кривых зависит от нескольких 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. Использование машинного обучения для определения того, насколько хорошо смоделированные кривые охлаждения совпадают со свойствами чудаков, показало, что уравнения состояния без механизма быстрого охлаждения имеют нулевые шансы на сопоставление данных.
«Исследование нейтронных звезд пересекает многие научные дисциплины, от физики элементарных частиц до гравитационных волн. Успех этой работы демонстрирует, насколько фундаментальна командная работа для продвижения нашего понимания Вселенной», — заключает Нанда.
