Астрономы выяснили размеры нейтронной звезды, чтобы узнать ее внутреннее строение

В конце жизни массивные звезды коллапсируют под собственной тяжестью, вспыхивая сверхновыми. На их месте образуется черная дыра, а если размеров звезды для этого недостаточно, остается нейтронная звезда. Такие объекты обладают исключительной плотностью: масса Солнца и даже больше может быть сжата до размеров крупного города, пары десятков километров.

Считается, что нейтронные звезды обладают определенной структурой. Снаружи их окружает слабая водородно-гелиевая атмосфера, затем начинается кора. Далее давление нарастает вплоть до ядра, где даже атомы разрушаются, электроны и протоны сливаются, образуя «суп» из вырожденной нейтронной материи огромной плотности. Состояние внутреннего ядра, находящегося в самом центре такой звезды, вовсе неизвестно. Возможно, здесь не сохраняются и нейтроны, разваливаясь на отдельные составляющие и превращаясь в кварковую плазму.

Самый очевидный способ выяснить это — точно измерить массы и диаметры разных нейтронных звезд, чтобы вычислить плотность и проверить, «выживут» ли нейтроны при таких условиях. Недавно такие наблюдения ученые провели для звезды PSR J0740+6620 (J0740), расположенной в созвездии Жираф, в 3600 световых годах от нас. О них астрономы доложили на встрече Американского физического общества, прошедшей онлайн. Статьи готовятся к публикации, а пока о работе сообщается в пресс-релизе, распространенном NASA.

Масса J0740 оценивается в 2,1 массы Солнца, а чтобы выяснить ее диаметр, авторы использовали рентгеновский телескоп NICER, работающий на борту МКС. Эта звезда быстро вращается, делая почти 350 оборотов в секунду, выбрасывая узкие потоки излучения из своих магнитных полюсов. Каждый раз, когда эти лучи оказываются направлены на нас, J0740 вспыхивает — как яркий пульсар.

Кроме того, огромная гравитация нейтронной звезды способна сильно искажать траектории фотонов, так что часть света с противоположной стороны может достигать нас, огибая ее поверхность. Из-за этого она способна выглядеть больше своих реальных размеров, а излучающие участки никогда не уходят из видимости, лишь меняя видимую яркость. NICER позволил измерить такие колебания с разрешением более 100 наносекунд.

Исходя из собранных данных, две независимые команды астрофизиков из Нидерландов и США подсчитали диаметр J0740 (1, 2). Они дали оценки в 24,8 и 27,4 километра соответственно, хотя эти цифры лежат в пределах разброса, допустимого в обоих расчетах. В любом случае эта нейтронная звезда оказывается далеко не такой плотной, как можно было предположить. А значит, внутреннее ядро ее вряд ли сжато достаточно сильно для того, чтобы превратиться в чистую кварковую материю.

По-видимому, оно сохраняет более сложную структуру: возможно, вещество в этом случае включает смесь отдельных нейтронов, протонов и кварков. Впрочем, расчеты еще предстоит провести на основе новых данных о размерах J0740.

Любопытна еще одна находка, сделанная учеными. Считается, что, поскольку излучающие участки расположены на разных полюсах нейтронной звезды, лучи от них должны ориентироваться в противоположных направлениях. Однако NICER показал, что они находятся на одном полушарии и лучи расходятся под углом. Ученые считают, что так проявляют себя невероятно мощные магнитные поля J0740.