Телескопы, ускорители и LIGO объединяются для исследования нейтронных звезд

Физики создали основу для лучшего понимания сверхплотной материи внутри нейтронных звезд, объединив наблюдения детекторов гравитационных волн и обычных телескопов с экспериментальными результатами ускорителей частиц.

Результаты, полученные командой под руководством Сабрина Хут Технического университета Дармштадта в Германии и Цун Хо (Питер) Панг Утрехтского университета в Нидерландах, показывают, что многие нейтронные звезды испытывают большее давление вырождения в своих недрах, чем предполагалось. Как следствие, некоторые нейтронные звезды имеют больший, чем ожидалось, радиус — результат, на который ранее намекали в наблюдениях Миссия по исследованию внутреннего состава нейтронной звезды (NICER) Эксперимент на борту Международной космической станции.

Нейтронные звезды являются одними из самых экстремальных объектов во Вселенной. Это раздробленные ядра звезд, взорвавшихся как сверхновые, и, несмотря на то, что их диаметр составляет всего около 20 километров, их масса в 2.3 раза превышает массу Солнца. Внутри них давление настолько велико, что отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны сталкиваются друг с другом, образуя тело, почти полностью состоящее из нейтрально заряженных нейтронов.

Термин «давление вырождения» относится к неспособности любых двух частиц — в данном случае нейтронов — занимать один и тот же энергетический уровень при совместном столкновении. Эта неспособность создает уравновешивающее внешнее давление, которое препятствует дальнейшему столкновению нейтронных звезд. «Поэтому при высоких давлениях нейтроны хотят быть дальше друг от друга, что приводит к большей нейтронной звезде», — объясняет Панг.

Уравнение состояния

Знание радиуса нейтронных звезд поможет астрофизикам ограничить так называемое уравнение состояния звезд, которое описывает свойства материи внутри нейтронной звезды и, следовательно, определяет ее радиус. Поскольку никто точно не знает, что представляет собой уравнение состояния, команда Хута и Панга в своем моделировании проанализировала 15 000 его возможных версий, введя данные нескольких вращающихся нейтронных звезд, известных как пульсары, а также гравитационно-волновые наблюдения двух слияний двух нейтронных звезды. К ним относится слияние, известное как GW170817, которое попало в заголовки газет в 2017 году, когда оно было обнаружено детектором гравитационных волн LIGO и телескопами, проводящими наблюдения на длинах волн в электромагнитном спектре. Таким образом, это ознаменовало зарю мультимессенджерной астрономии.

Последнее исследование продвинуло мультимессенджерный подход еще дальше, включив информацию о столкновениях между ионами золота, ускоренными почти до скорости света. Эти столкновения происходят при высоких температурах и низкой плотности — в отличие от космоса, где температура низкая, но плотность объектов, таких как нейтронные звезды, высока. Объединив результаты столкновений на нескольких ускорителях частиц (включая Центр исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI в Дармштадте, а также Национальной лаборатории Лоренса Беркли и Брукхейвенская национальная лаборатория в США) с помощью астрофизических наблюдений можно начать восполнение пробела в нашем понимании материи в экстремальных условиях.

«Поскольку данные о столкновениях тяжелых ионов, используемые в нашем анализе, дают нам информацию об области плотности, где ядерная теория и астрофизические наблюдения менее чувствительны, они дают нам новое ограничение [для уравнения состояния]», — говорит Панг.

Последствия послесвечения

Результаты также помогают ученым понять, что происходит во время слияния нейтронных звезд. В таких случаях две нейтронные звезды, вращающиеся в непосредственной близости, постепенно сближаются по спирали. Когда они начинают сливаться, гравитация деформирует их форму. Эта деформация проявляется в гравитационных волнах, которые они излучают во время слияния, и зависит от массы и радиуса нейтронных звезд. Нейтронная звезда с большим радиусом будет менее компактной и иметь более слабую гравитацию, что может повлиять на то, сколько мусора будет выброшено при слиянии. Именно этот светящийся мусор можно обнаружить в свете как «килонову», поэтому количество мусора и его свойства определяют, насколько видимой будет килонова.

Николас Юнес, астрофизик из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, США, не участвовавший в последних исследованиях, но бывшего употребления наблюдения с несколькими мессенджерами для определения свойств вещества нейтронных звезд, считает, что в будущем нам следует ожидать больше таких результатов. «Мультимессенджерная астрономия действительно преображает и уже оказывает влияние на наше понимание состояния материи при экстремальных плотностях и давлениях», — говорит он.

С обновленной версией LIGO (Продвинутый ЛИГО), которые, как ожидается, будут улавливать гравитационные волны от гораздо большего количества слияний двойных нейтронных звезд с более высокими уровнями чувствительности, а NICER продолжает обеспечивать независимые измерения радиусов пульсаров, астрофизики вскоре смогут наложить еще более сильные ограничения на уравнение состояния. для нейтронных звезд. «Объединив информацию при высоких температурах, но низкой плотности с информацией при низких температурах, но высоких плотностях, мы начнем точно узнавать, как материя ведет себя во Вселенной», — заключает Юнес.

Исследование опубликовано в природа.

сообщение Телескопы, ускорители и LIGO объединяются для исследования нейтронных звезд Появившийся сначала на Мир физики.

• Коинсмарт. Лучшая в Европе биржа биткойнов и криптовалют.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. БЕСПЛАТНЫЙ ДОСТУП.
• КриптоХок. Альткоин Радар. Бесплатная пробная версия.
• Источник: https://physicalworld.com/a/telescopes-accelerators-and-ligo-team-up-to-probe-neutron-stars/