Важке серце нейтронної зорі відкриється

З часу відкриття нейтронних зір півстоліття тому вченим не дає спокою запитання: «Як?». Як щось розміром із місто може важити більше, ніж Сонце? Як матерія може досягати такої неймовірної щільності? Дати відповідь на це запитання в лабораторії неможливо, адже у нас немає жодних засобів, щоб створити такий шалений тиск. Привідкрити завісу таємниць довкола нейтронних зір обіцяє космічна місія, запуск якої відбудеться вже на початку червня. З її допомогою вчені сподіваються не лише краще зрозуміти природу нейтронних зір, а й отримати відповіді на фундаментальні запитання про природу матерії.

NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer – «Дослідник внутрішньої будови нейтронних зірок») на борту МКС.

«Це великий крок на шляху до кращого розуміння властивостей найщільнішої матерії у Всесвіті», – каже Тецуо Хатсуда, фізик-теоретик із Міждисциплінарної програми теоретичних і математичних наук у м. Сайтама (Японія). За його словами, «рівняння стану матерії з надвисокою щільністю є однією з тривалих проблем у ядерній фізиці та астрофізиці, що не втрачає своєї актуальності з часу відкриття пульсарів».

Пульсари – це нейтронні зорі, які обертаються і емітують радіоактивне випромінювання. Саме за цим випромінюванням у 1967 р. їх відкрила астроном Джоселін Бернел. Нейтронні зорі утворюються в результаті вибуху наднових. Стан матерії всередині нейтронних зір впливає на взаємодію частинок через фундаментальні сили та подає кілька дороговказів до розуміння ще щільніших і загадковіших об’єктів – чорних дір.

«Мабуть, уперше ми отримаємо чіткі рамки на гіпотези про те, що може бути всередині нейтронних зір», – каже астрофізик з Амстердамського університету Натанієл Дедженаар. Як тільки пристрій NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer – «Дослідник внутрішньої будови нейтронних зірок») дістанеться Міжнародної космічної станції, він обчислюватиме розміри нейтронних зір, аналізуючи рентгенівські промені, які емітують її полюси.

Знання розміру зорі є дуже важливим, адже що більша зоря, то жорсткіше ядро вона повинна мати. Як наслідок, ядро мусить витримувати шалений тиск її гравітації перш ніж сколапсувати у чорну діру. Тиск у надрах такої зорі, за розрахунками, має бути більшим, ніж тиск в атомному ядрі. Своєю чергою, менші зорі мають слабшу гравітацію. Нейтрони у їхніх ядрах, за припущенням дослідників, мають бути розчинені в морі їхніх складників – кварків. Інша гіпотеза постулює, що ядро має бути утворене з екзотичних елементарних частинок – гіперонів.

Розуміння природи ядра обіцяє надати вченим ключові відомості про сили, крізь які відбувається взаємодія частинок, а також встановити, скільки може важити нейтронна зоря перш ніж вона перетвориться на чорну діру, – каже керівник проекту NICER та астроном Центру космічних польотів ім. Ґоддарда у м. Ґрінбелт (Меріленд) Цавен Арзуманян. Крім того, це дасть змогу вдосконалити існуючі моделі злиття нейтронних зір і збільшить шанси, що їх зможуть зафіксувати гравітаційно-хвильові детектори на Землі, зокрема LIGO.

NICER встановлюватиме радіуси зірок, вивчаючи їхні гігантські гравітаційні поля, які викривлюють їхнє власне світло. Якщо спостерігати з космічної станції, світло слабшає, коли промінь рухається від спостерігача, але залишається видимим, оскільки гравітаційне поле зірки спрямовує частину цього світла у протилежному напрямку. Ступінь затемнення світла, коли промінь спрямований у протилежний бік, розповідає про силу гравітації зорі і, отже, про відношення її маси до радіуса. Порівнюючи ці дані з визначенням маси за допомогою аналізу енергії Х-променів, астрономи можуть зробити вдвічі точніший висновок про розмір зорі.

Але щоб розділити ці складні ефекти, NICER повинен максимізувати силу світла від нейтронних зір, пропустивши його через свої 56 телескопів. Їхня мета – спостерігати за червоним краєм рентгенівського спектра, в якому нейтронні зорі сяють найяскравіше. Згодом прилад зафіксує час потрапляння цього світла на кремнієвий детектор із безпрецедентною точністю – понад 100 наносекунд. «Така точність багаторазово перевершує все, що було раніше», – каже Рональд Ремільярд, астрофізик із Массачусетського технологічного інституту, який використовуватиме NICER для спостереження за матерією, яка падатиме в чорні діри, коли апарат виконає свою основну місію з дослідження пульсарів.

Цікаво те, що NICER матиме не лише теоретичне, а й практичне значення. Оскільки пульсування нейтронних зір є дуже точною величиною, поєднання кількох таких сигналів можна використати для тріангуляції точного положення в просторі. Система глобального позиціонування (GPS), щоб визначити положення спостерігача на Землі, використовує покази атомних годинників на своїх супутниках. А світло пульсарів, що блимає з безпрецедентною точністю, можна використати як аналог GPS, що визначатиме точне місцезнаходження вже в Сонячній системі та за її межами. NICER випробує десять пульсарів, щоб протестувати можливість таких систем.

У разі успіху космічна місія НАСА «Оріон», яка в середині 2030-х років має доправити перших астронавтів на Марс, окрім звичайних засобів навігації, використовуватиме також навігацію пульсарів.