Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

На следующем этапе Рид, Хациоанну и другие ученые, используя сигнал гравитационных волн, подсчитали, что радиус звезд не может быть больше примерно 13,5 километра. Это значение согласуется с предыдущими рентгеновскими измерениями радиусов, а также означает, что приливы не вызвали большой деформации. Такой малый радиус помог исключить из рассмотрения самые жесткие уравнения состояния, предсказывающие существование более крупных нейтронных звезд. “Это говорит о том, что давление достаточно низкое, поэтому мы смогли исключить некоторые модели, в которых предполагалось высокое давление”, – говорит Хациоанну. Если бы звезды были крупнее, влияние приливных сил на их орбиты было бы намного сильнее. Поэтому внутреннее давление не могло их слишком сильно раздуть, хотя достаточно высокое давление по-прежнему необходимо для противостояния сокрушающим силам гравитации, соответствующим двум солнечным массам. И это позволяет предположить, что давление резко возрастает при увеличении плотности. Когда возможно будет наблюдать больше актов слияний нейтронных звезд, следующим шагом будет получение гораздо большего количества данных об их деформируемости из-за приливов. Это позволит ученым понять, как меняется радиус при изменении массы, и увидеть, какие уравнения состояния предсказывают такие же изменения радиуса.

Собираем пазл

Как только мы точно измерим массы и радиусы нескольких нейтронных звезд, мы сможем убрать нерелевантные уравнения состояния. Однако, даже если мы определим размеры звезд, мы не сумеем понять, какие частицы внутри звезды создают давление: нераспавшиеся нейтроны, свободные кварки, гипероны, сжатые каоны или что-то еще более экзотическое. Другими словами, при одних и тех же значениях массы и радиуса внутри звезды могут находиться как кварки, так и нейтроны. Если мы узнаем величину давления, это еще не будет означать, что мы узнали, из чего звезда состоит. Итак, задача будет заключаться в том, чтобы проанализировать различные варианты строения, которые способны вызвать такое давление. И тогда можно будет выбрать тот, при котором кусочки пазла сложатся друг с другом.

Например, наблюдая большее количество слияний нейтронных звезд, мы сможем поискать фазовые переходы в кварковой материи при изменении давления и, следовательно, понять, как радиус звезды изменяется с массой. Ученые считают, что нейтронные звезды с массами внутри определенного интервала будут иметь примерно одинаковый радиус. Давление внутри нейтронных звезд определяется тем, из какого вещества состоят ее недра – из обычных нуклонов, частиц, содержащих странные кварки, а может быть, там даже находится “суп” из кварков. “Трудно определить, какие частицы соответствуют измеряемым нами радиусам, из-за сложности их взаимодействий”, – говорит Рид. Но чтобы звезды имели такие маленькие радиусы, какие получаются из измерений LIGO, и при этом столь колоссальные массы, может потребоваться присутствие внутри них чего-то более “экзотического”, чем старые добрые нейтроны.

И если, например, NICER обнаружит звезду с меньшей массой и большим радиусом, чем принятые сейчас верхние пределы, a LIGO обнаружит звезду с большей массой и меньшим радиусом, это будет означать, что с частицами в ядре звезды может происходить что-то действительно интересное, и это многое скажет нам о том, какой вид вещества создает нужное давление, и ограничит тип моделей. “Если эти наблюдения приведут к двум разным точкам зрения, к двум разным типам нейтронных звезд, это может позволить нам не только точно понять, как ведет себя уравнение состояния, но также выяснить, какие частицы или фундаментальные взаимодействия заставляют его вести себя таким образом”, – говорит Хациоанну.

Мы могли бы исключить лишние модели, сведя воедино наши знания о фазовых переходах, скорости охлаждения, о том, как различные частицы уносят энергию при излучении и как нейтронные звезды со временем замедляют свое вращение. А будущие эксперименты на коллайдерах с кварк-глюонной плазмой со временем могут дать нам более ясное представление о том, что находится внутри этих плотных тел.

Но сможем ли мы когда-нибудь отбросить все теории, кроме одной-единственной? Хациоанну не до конца в этом уверена. “Зная теоретиков, скажу, что это маловероятно. Они всегда строят новые теоретические модели, объясняющие наблюдения, особенно если эти наблюдения противоречат существующей точке зрения. Возможно, мы сумеем отбросить такие экстремальные модели, как большие кварковые ядра, но всегда остается вероятность того, что в ядре имеется небольшое количество кварков. Невозможно исключить все”.

Глава 6Как нейтронные звезды убивают теории темной материи