«Горы» на нейтронных звездах ограничили их максимальную скорость вращения

С появления первого телескопа человечество изучало Вселенную в самых разных диапазонах электромагнитного излучения. Но со временем мы поняли, что далеко не все объекты можно «разглядеть». Например, от черных дыр фотоны вовсе не способны сбежать. Существует другой тип астрономии, основанный на изучении гравитационных волн — колебаний пространства-времени под действием чрезвычайно массивных объектов.

Обсерватории, способные фиксировать гравитационные волны, появились в 2010-х годах, но их чувствительность ограничена. Они регистрируют наиболее заметные явления вроде столкновений черных дыр или нейтронных звезд. Инструменты с радикально более высоким разрешением сейчас находятся в разработке. Поэтому астрофизики заранее рассчитывают параметры различных объектов, которые планируют исследовать с их помощью.

Предметом новой работы, опубликованной на портале препринтов arXiv, стали нейтронные звезды. Существующие модели таких объектов показывают их сложную внутреннюю структуру.

Хотя бы частично подтвердив или опровергнув эти теоретические построения, получится уточнить фундаментальные законы природы. Для этого необходима возможность каким-то образом получить достоверную информацию о предсказанных свойствах изучаемого объекта.

Внешняя оболочка нейтронной звезды по всем расчетам должна состоять из кристаллической решетки атомных ядер, сквозь которые непрерывно протекает «море электронов». Эта кора находится в постоянном напряжении, которое должно так или иначе разряжаться в форме «звездотрясений». Ряд наблюдений косвенно подтвердили такую теоретическую картину. Нейтронные звезды по большей части излучают в радиодиапазоне и для земных наблюдателей знакомы как пульсары — космические «маяки», испускающие лучи с завидной регулярностью. Эта частота, обычно постоянная и лишь слегка уменьшающаяся со временем, иногда резко меняется без видимых причин.

Единственное подходящее объяснение заключается в том, что накопившееся напряжение в коре нейтронной звезды приводит к ее разрыву и перемещению материи к или от оси вращения. В результате скорость вращения, соответственно, возрастает или снижается по закону сохранения углового момента. Помимо звездотрясений, напряжения в коре нейтронных звезд могут выражаться в образовании «гор» — асимметричных относительно оси вращения неровностей. Из-за колоссальной силы тяжести их высота не превышает долей миллиметра.

Даже такие микроскопические неровности за счет феноменальной плотности материи нейтронной звезды вызывают рябь самого пространства-времени. Уловить возникающие в результате гравитационные волны пока не представляется возможным. Но теоретически их существование хорошо обосновано, и будущие детекторы имеют шанс это подтвердить. Или опровергнуть. Как показали расчеты двух коллег из Индианского университета (США), по характеру гравитационных волн даже можно будет установить основные характеристики гор на поверхности нейтронной звезды.

Полноценный ландшафт, конечно, восстановить не удастся. Но среднюю высоту, преобладающее направление хребтов и даже предположить некоторые детали механизма их появления — вполне. А на основании результатов наблюдений можно будет корректировать наши теории строения и возникновения нейтронных звезд.

В тексте работы ее авторы отметили, что у приведенного моделирования есть существенное слабое место. Предположение, от справедливости которого зависит точность всех расчетов. В качестве отправной точки для представления рельефа нейтронной звезды исследователи выбрали разнообразие горных пейзажей на планетоподобных телах Солнечной системы — например, Меркурии, Европе, Энцеладе. Очевидно, что планеты и их спутники кардинально отличаются от коллапсировавшего ядра звезды. Тем не менее других примеров тонких твердых оболочек крупных космических объектов у нас под рукой нет.

Вдобавок разнообразие гор в Солнечной системе поистине впечатляет: есть сформированные тектоническими процессами, есть возникшие в результате сжатия лежащей под корой материи, есть появившиеся из-за неравномерного расширения.

Важное следствие того, что «горы» нейтронных звезд приводят к образованию гравитационных волн, — потеря звездой углового момента. Гравитационные волны уносят от нее энергию. По расчетам авторов работы, существуют верхний и нижний пределы скорости вращения нейтронной звезды, обусловленные высотой гор на ее поверхности.