Изучение скорости звука показало, что тяжелые нейтронные звезды имеют жесткую мантию и мягкое ядро, в то время как легкие нейтронные звезды имеют мягкую мантию и жесткое ядро, как различные шоколадные конфеты. Предоставлено: Питер Кифер и Лучано Реззолла.

До сих пор мало что известно о недрах нейтронных звезд, тех чрезвычайно компактных объектах, которые могут образоваться после смерти звезды. Масса нашего солнца или даже больше сжимается в сферу диаметром с большой город. С момента их открытия более 60 лет назад ученые пытались расшифровать их структуру.

Самой большой проблемой является моделирование экстремальных условий внутри нейтронных звезд, поскольку их вряд ли можно воссоздать на Земле в лаборатории. Поэтому существует множество моделей, в которых различные свойства — от плотности до температуры — описываются с помощью так называемых уравнений состояния. Эти уравнения пытаются описать структуру нейтронных звезд от звездной поверхности до внутреннего ядра.

Теперь физикам из Университета Гёте во Франкфурте удалось добавить к головоломке еще больше важных кусочков. Рабочая группа под руководством профессора Лучано Резоллы из Института теоретической физики разработала более миллиона различных уравнений состояния, которые удовлетворяют ограничениям, установленным данными, полученными из теоретической ядерной физики, с одной стороны, и астрономическими наблюдениями, с другой. Другой. Их работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Оценивая уравнения состояния, рабочая группа сделала неожиданное открытие: «легкие» нейтронные звезды (с массой меньше примерно 1,7 массы Солнца), по-видимому, имеют мягкую мантию и жесткое ядро, тогда как «тяжелые» нейтронные звезды (с массами более 1,7 массы Солнца) вместо этого имеют жесткую мантию и мягкое ядро.

«Этот результат очень интересен, потому что он дает нам прямую меру того, насколько сжимаемым может быть центр нейтронных звезд, — говорит профессор Лучано Резолла. — Нейтронные звезды, по-видимому, ведут себя немного как шоколадные пралине: фундук в их центре, окруженный мягким шоколадом, тогда как тяжелые звезды можно рассматривать скорее как те конфеты, где твердый слой содержит мягкую начинку».

Решающее значение для этого понимания имела скорость звука, которую изучал студент бакалавриата Синан Алтипармак. Эта количественная мера описывает, насколько быстро звуковые волны распространяются внутри объекта, и зависит от того, насколько жесткой или мягкой является материя. Здесь, на Земле, скорость звука используется для исследования недр планеты и обнаружения месторождений нефти.

Смоделировав уравнения состояния, физики также смогли раскрыть другие ранее необъяснимые свойства нейтронных звезд. Например, вне зависимости от их массы, они, скорее всего, имеют радиус всего 12 км. Таким образом, они такого же большого диаметра, как Франкфурт, родной город Университета Гёте.

Автор исследования доктор Кристиан Экер объясняет: «Наше обширное численное исследование не только позволяет нам делать прогнозы для радиусов и максимальных масс нейтронных звезд , но и устанавливать новые ограничения на их деформируемость в двойных системах, то есть на то, насколько сильно они искажают друг друга через их гравитационные поля. Эти идеи станут особенно важными для точного определения неизвестного уравнения состояния с будущими астрономическими наблюдениями и обнаружением гравитационных волн от сливающихся звезд».