Космические шоколадки: раскрыто общее строение нейтронных звезд

Благодаря обширным модельным расчетам немецкие исследователи получили лучшее понимание внутренней структуры нейтронных звезд, где материя достигает огромной плотности. В зависимости от массы эти остатки звезд могут иметь очень жесткое или очень мягкое ядро. Исследователи, опубликовавшие свою работу в журнале The Astrophysical Journal Letters, проводят параллель с шоколадом.

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды – самые плотные объекты во Вселенной после черных дыр. К концу своей жизни звезды, по крайней мере в десять раз более массивные, чем Солнце, сплавляют в своих ядрах все более тяжелые элементы, вплоть до железа, которое, в отличие от остальных, не способно к слиянию. Объект, который теперь не может выделять энергию, чтобы уравновесить гравитационную силу, разрушается сам на себя. Ядро сжимается, а давление превращает протоны в нейтроны.

Поэтому нейтронные звезды, по сути, являются шарами из нейтронов. Эти ядра имеют ширину всего несколько километров, но обладают исключительной массой по объему. Чайная ложка там весит целую гору. Более того, гравитация настолько сильна, что высота поверхностных объектов составляет всего несколько миллиметров.

С момента открытия этих звезд более шестидесяти лет назад ученые все еще пытаются понять их внутреннюю структуру. Основная проблема заключается в том, чтобы смоделировать эти экстремальные условия в лаборатории.

В настоящее время существует несколько моделей, в которых различные свойства – такие, как плотность или температура – описываются с помощью так называемых уравнений состояния. Эти уравнения пытаются описать структуру нейтронных звезд, от поверхности звезды до внутреннего ядра. В новой работе физикам из Университета Гете во Франкфурте удалось добавить еще один важный фрагмент к головоломке.

Для этой работы исследователи разработали более миллиона различных уравнений состояния, которые удовлетворяют ограничениям, накладываемым имеющимися данными, как из теоретической ядерной физики, так и из астрономических наблюдений.

Оценивая эти уравнения состояния, команда сделала удивительное открытие: так называемые “легкие” нейтронные звезды – с массами менее 1,7 массы Солнца – имеют мягкую мантию и жесткое ядро. И наоборот, те, масса которых превышает 1,7 солнечных масс, будут иметь жесткую мантию и мягкое ядро.

“Нейтронные звезды, по-видимому, ведут себя немного похоже на шоколад пралине: легкие звезды напоминают те шоколадные конфеты, в центре которых находится лесной орех, окруженный мягким шоколадом, а тяжелые звезды можно рассматривать скорее как те шоколадные конфеты, в которых твердый слой содержит мягкую начинку“, — говорит Лучано Реццолла, ведущий автор исследования.

Моделируя уравнения состояния, физики также смогли обнаружить другие ранее необъяснимые свойства нейтронных звезд. Например, какой бы ни была их масса, выясняется, что эти объекты, скорее всего, имеют радиус всего двенадцать километров.