Знайдена найпотужніша нейтронна зірка

Маса пульсара PSR J0740 + 6620 виявилася рекордною для відомих нейтронних зірок: 2,17 мас Сонця. Значення відповідає верхнім межам теоретичних оцінок і допоможе визначити поки що невідоме рівняння стану речовини при надядерної щільності в надрах нейтронних зірок.

Нейтронні зірки – це один з можливих кінцевих етапів еволюції звичайних світил. Вони володіють виключно високою щільністю, яка навіть перевищує ядерну. В атомних ядрах щільність може досягати 3 × 10 ¹⁷ кілограмів на метр кубічний, а в центрі нейтронних зірок, за різними оцінками, може бути в кілька разів більше.

Основною проблемою на сучасному етапі досліджень цих екстремальних об’єктів є невідоме рівняння стану матерії в їх надрах, тобто залежність тиску від щільності. Існує велика різноманітність моделей, які передбачають різне внутрішню будову, розмір та інші властивості нейтронних зірок.

Протестувати різні моделі будови можна за допомогою вивчення мілісекунд пульсарів – швидкообертаючих нейтронних зірок, яскраве радіовипромінювання з полюсів яких при кожному оберті фіксується на Землі. Багато параметри таких об’єктів і явища в їх околицях можна визначити методом пульсарного таймінгу, тобто за допомогою тривалих спостережень сигналів.

У роботі під керівництвом Ханни Кромарті (Hanna Thankful Cromartie) з Віргінського університету описується визначення маси пульсара PSR J0740 + 6620 в подвійній системі з білим карликом. Оцінка стала можливою завдяки спостереженню ефекту Шапіро – уповільнення поширення світла при проходженні поблизу масивного тіла. Цей феномен є одним із стандартних проявів загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна і виміряно у багатьох ситуаціях, в тому числі і для планет Сонячної системи.

В даному випадку відповідні умови виникають при русі пульсара позаду компаньйона при орбітальному з’єднанні, тобто попаданні обох тіл на промінь зору. Вимірювання затримки по часу приходу сигналів пульсара і знання параметрів звернення тіл в системі дозволяють з високою точністю обчислити масу пульсара, яка виявилася дорівнює 2,17 сонячних.

Об’єкт став наймасивнішою нейтронною зіркою з відомих на даний момент; зірок цього класу важче двох Сонць в принципі відомо досить мало. Відкриття дозволяє встановити нові обмеження на можливі рівняння стану речовини в надрах нейтронних зірок і вказує на справедливість більш жорстких рівнянь, в яких тиск в залежності від маси зростає швидше. Фізично це відповідає появі відштовхування між частинками при менших щільності.

Найточнішою теоретичної оцінкою верхньої межі вважається значення 2,16 мас Сонця, вона  отримана  з використанням інформації про випроменених гравітаційних хвилях в єдиному відомому на даний момент злиття нейтронних зірок. Проте, в межах помилок ці величини узгоджуються.

Нейтронні зірки мають безпосереднє відношення до хімічної еволюції Всесвіту, адже саме в їх злиття утворюються найважчі елементи. Тому вивчення цих об’єктів важливо не тільки в контексті релятивістської астрофізики  та фізики високих енергій, а й для інших областей науки.