В нейтронних зорях – рештках погаслих зірок – ховається щось дійсно загадкове. Але що? Ці типи зір є найщільнішими і водночас найтаємничішими після чорних дір об’єктами у Всесвіті. Довкола чорних дір є ще більше загадок, але вони настільки виходять за рамки звичайної фізики, що, можливо, узагалі не є матерією. Гравітація стискає атоми всередині нейтронних зір так щільно, що вони розпадаються на свої складові частини, а електрони втискаються у протони й утворюють нейтрони. Маса, зіставна з масою Сонця, у цих об’єктах стиснена до розмірів невеликого міста. Фізики ламають голову над тим, що ж відбувається з матерією, якщо її так сильно стиснути. Можливо, у їхніх надрах виникає екзотичний стан матерії, званий кварк-глюонною плазмою? А, може, кварки позбуваються своїх звичних «верхнього» і «нижнього» ароматів і стають так званими «дивними» кварками, які не трапляються у звичайній матерії? Може, там виникає стан речовини, званий надплинністю, коли рідина протікає без в’язкості, а її потік ніколи не втрачає швидкості?
Із появою гравітаційно-хвильової астрономії вчені наблизились на крок до розуміння природи цих таємничих об’єктів. Гравітаційні хвилі – це брижі часу і простору, які утворюються, коли взаємодіють тіла з екстремальною масою, такі як чорні діри або нейтронні зорі. Вперше їх вдалося детектувати у 2015 році, і відтоді вчені ідентифікували лише декілька подій, які стали джерелом цих хвиль. Вивчаючи їх, фізики можуть дізнатися про масу, розмір та щільність об’єктів, які їх породили. За цими параметрами можна вивести так звані «рівняння стану» нейтронних зір, які описують відношення між їхнім тиском та щільністю. А звідси, своєю чергою, можна зробити висновок про те, який тип матерії існує в їхніх надрах.
У новому дослідженні міжнародна команда науковців поєднала гравітаційно-хвильовий та електромагнітний методи спостережень за зіткненням нейтронних зір, щоб встановити їхню масу та радіус. «Ми отримали дуже узгоджену картину, поєднавши усі доступні методи спостереження, зокрема гравітаційні та електромагнітні хвилі, а також теоретичні передбачення ядерної фізики», – стверджує співавтор дослідження Том Дітріх з Постдамського університету в Німеччині. Стаття з описом дослідження опублікована цього тижня в журналі Science. Команда науковців встановила, що досліджувана ними нейтронна зоря при масі, яка в 1,4 раза перевищує масу Сонця, має радіус усього лишень 11,75 км плюс-мінус 810-860 метрів, що трохи менше за половину Мангеттена.
«Розмір нейтронної зорі залежить від стану матерії всередині неї, тож, знаючи розмір, ми можемо будувати гіпотези про те, з чого вона складається», – додає Дітріх. Якщо в її ядрі нейтрони, то вони тиснутимуть на зовнішні шари зорі, що вестиме до більшого радіуса. Але якщо нейтрони розпадаються на ще дрібніші субатомні частинки, такі як кварки та глюони, то зірка трішки «просяде» й матиме менший радіус.
Нові дані загалом узгоджуються із вже відомою інформацією про нейтронні зорі, згідно з якою їхній радіус в середньому становить від 11 до 13 кілометрів, каже Марк Алфорд, фізик-теоретик із Вашингтонського університету у Сен-Луїсі. А Анна Воттс, астрофізик з Амстердамського університету, стверджує, що вимірювання параметрів нейтронної зорі на основі гравітаційно-хвильових даних справді є «кроком уперед», але, за її словами, цих даних поки що недостатньо, щоб достовірно встановити природу матерії в її надрах. Вона вважає, що для цього потрібні набагато точніші інструменти, які, можливо, появляться у наступні десятиліття.
За гравітаційними хвилями вчені зуміли не лише обчислити радіус нейтронні зорі, а й виміряти так звану сталу Габбла, яка описує швидкість розширення Всесвіту. За їхніми даними, стала Габбла становить 66,2 (км/с)(Мпк). Це вимірювання не є достатньо точним, щоб поставити крапку між одним із конкуруючих підходів до обчислення цієї величини, але воно додає нові дані у гарячу дискусію між науковцями про те, з якою швидкістю розширюється Всесвіт.
Науковці сподіваються, що наступні покоління гравітаційно-хвильових детекторів, таких як Cosmic Explorer та Телескоп Ейнштейна, які мають появитися у 2030-х рр., нададуть набагато точніші дані. Саме гравітаційні хвилі можуть надати вченим знання про екстремальні стани матерії, які неможливо зібрати жодним іншим способом. «З початку ери гравітаційно-хвильових спостережень пройшло лише чотири роки, але ці роки були справді дивовижними. Це свідчить про неймовірний потенціал цього методу для майбутніх досліджень», – каже Джеймс Латтімер, фізик з Університету штату Нью-Йорк у Стоуні-Брук, який не брав участі у дослідженні.
Clara Moskowitz
Gravitational Waves Probe Exotic Matter inside Neutron Stars
Scientific American, 17/12/2020
Зреферував Є. Л.
20.12.2020