Якщо нейтронна зоря стає затяжкою, то вона перетворюється на чорну діру. Проте на якому рівні розташована верхня межа маси для цих екзотичних решток зорі, астрономи з’ясували лише нещодавно. Згідно з їхніми висновками, колапс загрожує нейтронній зорі, що не обертається, тоді, коли вона важить понад 2,16 маси Сонця. Визначальними при обрахунках виявилися спостереження за зіткненням нейтронних зір 2017 року.
Нейтронні зорі. Зображення: Casey Reed/ Penn State University
Нейтронні зорі належать до найщільніших об’єктів Всесвіту: зазвичай вони завбільшки лише 10–12 кілометрів, але можуть мати масу вдвічі більшу, ніж маса Сонця. Матерія в них всередині так сильно стиснута, що чайна ложка з неї може важити мільярди тонн.
Відповідно, великою є і сила тяжіння цих екзотичних об’єктів. Тиск всередині дає змогу переплавити електрони і протони на нейтрони – звідки і назва зорі.
Проте наскільки великою та тяжкою може бути нейтронна зоря? Над цим питання астрономи задумувалися ще з 60-х рр. ХХ століття. Хоча відомо, що ці об’єкти не можуть зростати до безмежності. Адже існує певна масова межа, і якщо її перейти, то сила тяжіння так зросте, що призведе до руйнування зорі і її перетворення на чорну діру.
Нещодавно Луціано Реззоллі (Luciano Rezzolla) і його команді з Франкфуртського університету вдалося вперше вирахувати максимальну масу нейтронної зорі. Основою для цього стали рівняння стану, які описують взаємозалежність тиску, об’єму і температури в цих космічних об’єктах. Ще 2016-го науковці виявили, що нейтронні зорі при цьому слідують певним універсальним правилам.
Вирішальним проривом для астронавтів стало перше спостереження за зіткненням нейтронних зір в серпні 2017-го. Ознаки гравітаційних хвиль, які при цьому зафіксували, та електромагнітного випромінювання надали вченим визначальну інформацію, аби в поєднанні з рівняннями стану дійти висновків про верхню допустиму межу маси.
«Добре в теоретичних дослідженнях те, що передбачення здійснюються. Проте теорія мусить бути доведена експериментально, аби звести до мінімуму певні неточності», – сказав Реззолла. І злиття нейтронних зір власне становить собою космічний експеримент, наголошують учені.
Результат вимірювання маси: багато з нейтронних зір, за якими дотепер стежили, дуже сильно наближалися до свого ліміту. Адже, згідно з новими обрахунками, максимальна маса нейтронної зорі, що не обертається, не може перетинати показника 2,16 маси Сонця. Якщо вона зростає, то рештки зорі руйнуються.
Проте: якщо нейтронна зоря обертається – наприклад пульсаром – тоді силі тяжіння протидіє відцентрова сила. Тож зоря може стати важчою ще на 20%, перш ніж наступить руйнування, пояснили вчені.
Дотепер залишається кілька процентів непевності щодо верхньої межі маси. Однак астрономи сподіваються, що ці ймовірні відхилення в майбутньому зможуть звести до мінімуму завдяки спостереженням за наступними зіткненнями нейтронних зір.
Wie schwer kann ein Neutronenstern werden?
Goethe-Universität Frankfurt am Main, 12/01/2018
Зреферувала Соломія Кривенко