Бързо охлаждащи екзотични обекти пренаписват физиката на неутронните звезди

Скорошни наблюдения, направени от телескопите XMM-Newton на Европейската космическа агенция НАСАТелескопът Chandra на НАСА разкри три необичайно готини млади неутронни звезди, предизвиквайки настоящите модели, като показа, че се охлаждат много по-бързо от очакваното.

Този резултат има значителни последици, което предполага, че само няколко от многото предложения Неутронна звезда Тези модели са работещи и показват възможността за пробив в свързването на теориите на общата теория на относителността и квантовата механика чрез астрофизични наблюдения.

Откриване на необичайно студени неутронни звезди

Обсерваторията XMM Newton на ESA и обсерваторията Chandra на НАСА откриха три млади неутронни звезди, които са необичайно хладни за възрастта си. Сравнявайки свойствата им с различни модели на неутронни звезди, учените заключиха, че ниските температури на странните звезди изключват около 75% от известните модели. Това е голяма стъпка към разкриването на „уравнението на състоянието“ на единичната неутронна звезда, което управлява всички тях, с важни последици за фундаменталните закони на Вселената.

Наред с черните дупки, неутронните звезди са едни от най-озадачаващите обекти във Вселената. Неутронна звезда се образува в последните моменти от живота на много голяма звезда (повече от осем пъти по-голяма от масата на нашето Слънце), когато ядреното гориво в нейното ядро ​​в крайна сметка се изчерпи. При внезапен и бурен край външните слоеве на звездата се изхвърлят с огромна енергия в експлозия на свръхнова, оставяйки след себе си удивителни облаци от междузвезден материал, богат на прах и тежки метали. В центъра на облака (мъглявината) плътното ядро ​​на звездата се свива, за да образува неутронна звезда. Черна дупка може да се образува и когато оставащата маса на ядрото е по-голяма от около три слънчеви маси. Авторско право: Европейска космическа агенция

Екстремна плътност и неизвестни състояния на материята

След черните дупки със звездна маса, неутронните звезди са най-плътните обекти във Вселената. Всяка неутронна звезда е компактното ядро ​​на гигантска звезда, което остава, след като звездата избухне в свръхнова. След изчерпване на горивото ядрото на звездата се разпада под силата на гравитацията, докато външните й слоеве се изхвърлят в космоса.

Материята в центъра на неутронна звезда е толкова плътно компресирана, че учените все още не знаят каква форма приема. Неутронните звезди получават името си от факта, че под това огромно налягане дори атомите колабират: електроните се сливат с атомните ядра, превръщайки протоните в неутрони. Но може да стане още по-странно: екстремната топлина и налягане може да стабилизират по-екзотични частици, които не оцеляват другаде, или частиците може да се стопят заедно във въртяща се супа от техните съставни кварки.

В неутронна звезда (вляво) кварките, които изграждат неутроните, са затворени в неутроните. В кваркова звезда (вдясно) кварките са свободни, така че заемат по-малко място и диаметърът на звездата е по-малък. Кредит на изображението: NASA/XC/M. Вайс

Това, което се случва вътре в неутронна звезда, се описва от така нареченото „уравнение на състоянието“, което е теоретичен модел, който описва физическите процеси, които могат да се случат вътре в неутронна звезда. Проблемът е, че учените все още не знаят кое от стотиците възможни уравнения на моделите на състоянието е правилно. Докато поведението на отделните неутронни звезди може да зависи от свойства като тяхната маса или колко бързо се въртят, всички неутронни звезди трябва да се придържат към едно и също уравнение на състоянието.

Последици от наблюдения на охлаждане на неутронни звезди

Ровейки се в данни от обсерваторията XMM Newton на ESA и обсерваторията Chandra на НАСА, учените откриха три изключително млади и хладни неутронни звезди, които са 10 до 100 пъти по-хладни от своите двойници на същата възраст. Чрез сравняване на техните свойства със скоростите на охлаждане, предвидени от различни модели, изследователите стигнаха до заключението, че присъствието на тези три екзотични звезди изключва повечето от предложените уравнения на състоянието.

„Младата възраст и студената температура на повърхността на тези три неутронни звезди могат да бъдат обяснени само чрез извикване на механизъм за бързо охлаждане, тъй като подобреното охлаждане може да бъде активирано само чрез определени уравнения на състоянието, това ни позволява да изключим голяма част от възможните модели. ”, обяснява астрономът Нанда Реа, чиято изследователска група работи в Института за космически науки (.ICE-CSIC) и Института за космически изследвания на Каталуния (Международна комисия по атомна енергия) ръководи разследването.

Обединяване на теории чрез изучаване на неутронната звезда

Откриването на истинското уравнение на състоянието на неутронната звезда също има важно значение за фундаменталните закони на Вселената. Известно е, че физиците все още не знаят как да свържат теорията на общата теория на относителността (която описва ефектите на гравитацията в големи мащаби) с квантовата механика (която описва какво се случва на ниво частици). Неутронните звезди са най-добрият полигон за това, защото имат плътност и гравитация, които далеч надхвърлят всичко, което можем да създадем на Земята.

Неутронните звезди са компактни ядра на гигантски звезди, които остават след като звездата избухне в свръхнова. Тя е толкова плътна, че количеството материя на неутронната звезда, еквивалентно на кубче захар, тежи колкото цялото население на Земята! Кредит на изображението: Европейска космическа агенция

Обединяване на силите: четири стъпки към откритието

Трите странни неутронни звезди са толкова студени, че са твърде бледи, за да бъдат видени от повечето рентгенови обсерватории. „Превъзходната чувствителност на обсерваториите XMM-Newton и Chandra направи възможно не само откриването на тези неутронни звезди, но и събирането на достатъчно светлина, за да се определят техните температури и други свойства“, казва Камил Диез, научен сътрудник в ESA, работещ върху XMM – Данни за Нютон.

Чувствителните измервания обаче бяха само първата стъпка към възможността да се направят заключения за това какво означават тези странности за уравнението на състоянието на неутронната звезда. За тази цел изследователският екип на Нанда в ICE-CSIC обедини допълнителния опит на Алесио Марино, Клара Деман и Константинос Кувлака.

Алесио беше пионер в определянето на физическите свойства на неутронните звезди. Екипът успя да направи заключение за температурите на неутронните звезди от рентгеновите лъчи, изпратени от техните повърхности, докато размерите и скоростите на остатъците от свръхнови, които ги заобикалят, дадоха точна индикация за тяхната възраст.

След това Клара пое водеща роля в изчисляването на „кривите на охлаждане“ за неутронни звезди за уравнения на състоянието, включващи различни механизми на охлаждане. Това включва начертаване на това, което всеки модел прогнозира за това как яркостта на неутронната звезда – характеристика, пряко свързана с нейната температура – ще се промени с времето. Формата на тези криви зависи от много различни свойства на неутронната звезда, не всички от които могат да бъдат точно определени от наблюдения. Поради тази причина екипът изчислява криви на охлаждане за диапазон от възможни маси на неутронни звезди и сила на магнитното поле.

Накрая, статистически анализ, воден от Константинос, събра всичко заедно. Машинно обучение За да се определи колко добре симулираните криви на охлаждане отговарят на свойствата на странните топки, изследването показа, че уравненията на състоянието без механизъм за бързо охлаждане имат нулев шанс да съвпаднат с данните.

„Изследванията на неутронните звезди обхващат много научни дисциплини, от физиката на елементарните частици до… Гравитационни вълни„Успехът на тази работа доказва колко важна е работата в екип за напредването на нашето разбиране за Вселената“, заключава Нанда.

Справка: „Ограничения върху уравнението на състоянието на плътна материя от млади, хладни изолирани неутронни звезди“ от А. Марино, С. Деман, К. Куфалкас, Н. Rea, J.A. Pons, D. Вигано, 20 юни 2024 г., Природна астрономия.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y