Ученые нашли небесное тело, о котором не знают ничего, кроме его массы. Чем важно это открытие и почему астрофизики не могут решить, нейтронная звезда перед нами или черная дыра?

Ученые из Италии, ЮАР, Германии и других стран обнаружили в 40 тысячах световых лет от Земли необычное небесное тело: рекордно тяжелую нейтронную звезду — или рекордно легкую черную дыру. Масса объекта попала в «промежуток» между этими двумя классами небесных тел. И астрофизикам так и не удалось установить, с чем они имеют дело. При этом проведение границы массы между нейтронными звездами и черными дырами позволяет заглянуть вглубь экстремального состояния вещества — такого, которое невозможно воспроизвести в лаборатории. Именно этим в первую очередь важно открытие. Что думают о нем эксперты?

Что обнаружилось в нашем Млечном Пути — максимально коротко

• Ивэн Барр из германского Института радиоастрономии Общества Макса Планка и его коллеги (все они входят в исследовательскую коллаборацию TRAPUM) занимались поиском пульсаров в шаровом скоплении NGC 1851, расположенном в созвездии Голубя на расстоянии в 40 тысяч световых лет от Солнца.
• В процессе поисков они обнаружили пару, состоящую из пульсара и некоего массивного объекта, природа которого неясна: это может быть черная дыра или нейтронная звезда.
• Масса объекта попала в «разрыв» между массами нейтронных звезд и черных дыр.
• Исследование этого промежуточного звена поможет нам лучше понять природу нейтронных звезд, которые остаются самыми «экстремальными» объектами во Вселенной.

Теперь то же самое — но подробнее

Плотные шаровые звездные скопления, возникшие из древних облаков газа, содержат сотни тысяч звезд. Из-за малых расстояний между ними они часто взаимодействуют, образуют пары, стабильные и нестабильные. Кроме того, в скоплениях чаще встречаются экзотические объекты, например маломассивные рентгеновские двойные звезды (LMXBs). Это пары, состоящие из обычной и нейтронной звезд, в которых вещество перетекает от первой ко второй, нагреваясь до температур в миллионы градусов и порождая рентгеновское излучение. В шаровых скоплениях таких объектов на единицу массы в тысячу раз больше, чем в других частях Галактики.

Также в скоплениях, по мнению астрономов, пульсары могут несколько раз за жизнь менять компаньона, объединяясь, например, с белыми карликами, черными дырами или нейтронными звездами в пары с сильно вытянутыми орбитами. Такие системы особо интересовали Барра и его коллег, поскольку исследование их свойств позволяли с высокой точностью проверить предсказания теории гравитации.

В процессе поиска, который авторы вели с помощью расположенного в Южной Африке радиотелескопа MeerKAT, удалось обнаружить в скоплении NGC 1851 целых 13 пульсаров. Семь из них были двойными системами, то есть содержали два вращающихся вокруг общего центра масс объекта. Один из двойных пульсаров, под обозначением PSR J0514−4002E, особенно заинтересовал ученых.

То, что это не одиночный пульсар, а компонент двойной системы, было понятно сразу: измеряя доплеровское смещение частоты его сигнала, которая меняется, когда пульсар двигается по орбите то навстречу наблюдателю на Земле, то обратно, удалось вычислить период его орбиты. Вычисления показали, что пульсар совершает один оборот вокруг невидимого компаньона за 7,45 суток.

Суммарную массу системы удалось измерить благодаря архивным данным. Как выяснилось, в 2005-2006 годах сигнал от этого пульсара получил американский 100-метровый радиотелескоп в Гринбэнке. Это позволило сопоставить изменение периода обращения двойной системы в 2005-м, 2021-м и 2022 годах, а это, в свою очередь, сделало возможным вычисление общей массы и массы компаньона. Дело в том, что при движении вокруг друг друга два массивных тела испускают гравитационные волны, которые постепенно уносят энергию из системы — тем скорее, чем ближе тела друг к другу и чем выше их масса. Период обращения в системе при этом уменьшается, а тела продолжают сближаться.

По тем изменениям орбиты, что накопились за 17 лет, астрофизикам удалось измерить общую массу PSR J0514−4002E. И она оказалась необычно большой для таких систем: 3,887±0.004 масс Солнца. Это сразу поставило вопрос о том, чем же является невидимый компаньон пульсара.

• Во-первых, он точно не был звездой: астрономы проверили это в архиве оптического космического телескопа «Хаббл», который в 2010 году уже снимал NGC 1851. И на этих снимках «обычной» звезды в нужной области шарового скопления не нашлось.
• Следовательно, компаньоном пульсара должен быть компактный объект — так называют массивные и при этом очень небольшие, обычно слабоизлучающие или вовсе не излучающие (и потому невидимые) тела. К ним относят белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.
• Масса напарника — около 2,35 солнечной — позволяла сразу исключить первый вариант, ведь белые карлики не могут быть тяжелее 1,4 массы Солнца. Этот предел, называемый пределом Чандрасекара, существует благодаря тому, что при росте массы выше этого значения электронно-ядерная плазма, из которой состоят белые карлики, уже не может сдерживать гравитацию — и такая звезда коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду, которая устроена уже совсем другим образом. При этом еще и происходит выброс энергии, который выглядит как вспышка сверхновой — и такие сверхновые часто используются в качестве стандартов для определения дальности: масса звезды и количество выброшенной энергии для подобных систем всегда известны.
• После того, как масса позволила исключить вариант белого карлика, у астрофизиков осталось всего два варианта: нейтронная звезда и черная дыра. Если бы объект, как и его спутник, излучал радиоволны, то вопрос был бы сразу же решен. Но радионаблюдения не дали никакого результата — невидимый и загадочный компонент PSR J0514−4002E молчал.

Таким образом, после всех наблюдений, исследований и поисках в архивах все, что ученым удалось узнать о спутнике пульсара, — это его масса. И она оказалась весьма необычной — попав точно в разрыв между самыми тяжелыми среди известных нейтронных звезд и самыми легкими среди известных черных дыр. Это делает этот объект экстремально интересным для астрофизиков.

Чем важен поиск самых тяжелых нейтронных звезд

Чтобы объяснить, чем именно интересен объект, о котором неизвестно ничего, кроме его массы, и чем эта масса необычна, нужно прежде всего разобраться с тем, что представляют собой нейтронные звезды. С точки зрения привычных для земного наблюдателя законов физики это крайне удивительные объекты: представьте, что в шар размером с Москву упакована одна-две массы Солнца. Плотность вещества в центре этого объекта будет в несколько раз превышать плотность атомного ядра; кроме того, у него будут фантастические по мощности магнитные поля.

Существование нейтронных звезд было предсказано за три десятилетия до их открытия — еще в 1930-е годы Лев Ландау выдвинул предположение о том, что материя в ядрах звезд под действием гравитации может достигать плотности, близкой к плотности атомного ядра. Вскоре после этого Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предложили способ производства таких объектов — в их модели они возникали при взрывах сверхновых.

В феврале 1939 года, задолго до открытия нейтронных звезд в природе, Роберт Оппенгеймер, известный как один из руководителей Манхэттенского проекта, и канадский физик Георгий Волков впервые определили верхнюю границу массы таких объектов — то есть установили предел, который позже получил название «предел Оппенгеймера — Волкова». В оригинальном виде их простая модель, не учитывающая многих тонкостей, дала границу в 0,71 массы Солнца. Позже предел был пересчитан и сейчас, как считается, находится в интервале от 2,2 до 2,9 массы Солнца.

Однако точное значение этого предела мы все же не знаем: оно зависит от поведения вещества в недрах — и в этом и заключается самое интересное. Расчеты показывают, что в нейтронной звезде плотность материи может превышать плотность ядер атомов. Если вспомнить, что ядерная плотность составляет около 10¹⁷ килограммов на кубометр, то можно подсчитать, что кубометр ядерного вещества весит около 100 триллионов тонн — а в центре нейтронной звезды это значение еще в 10 раз больше.

Такие экстремальные условия нельзя воссоздать ни в одной лаборатории, поэтому о том, что в этом случае происходит с материей, астрофизики пока могут лишь строить гипотезы. Некоторые предполагают, что протоны и нейтроны в такой ситуации начинают превращаться в экзотические частицы — гипероны и каоны, содержащие странные кварки. Другая гипотеза гласит, что при этом чудовищном давлении возникает кварковое вещество.

В обычных условиях кварки не могут существовать отдельно, вне протонов и нейтронов. При попытке «разбить», например, протон рождаются новые частицы. При сверхвысоких температурах и давлениях теоретически может происходить так называемый деконфайнмент — высвобождение кварков. Для таких гипотетических объектов уже есть названия — гиперонные и кварковые звезды, — но пока нельзя уверенно сказать, существуют они в реальности или же материя в недрах нейтронных звезд испытывает какие-то другие превращения.

Заглянуть непосредственно в недра нейтронной звезды мы не можем, но нам могут помочь определиться и отсеять некоторые из моделей крайние случаи — рекордно тяжелые нейтронные звезды.

В результате взрыва сверхновых возникают и нейтронные звезды, и черные дыры. Этот взрыв происходит на конечной стадии эволюции звезд массой более 8-10 масс Солнца. В конце жизни таких звезд в их ядре выгорает все термоядерное горючее и возникают элементы, которые уже не могут участвовать в термоядерных реакциях, например, железо. Давление в центральной части падает, и внешние слои светила под действием гравитации обрушиваются внутрь, после чего происходит взрыв, мощность которого может быть сопоставима с мощностью всех звезд галактики.

Вот как описывает вспышку сверхновой астрофизик, научный сотрудник Международного центра теоретической физики (ICTP) в Италии Сергей Попов:

Центральная ее часть в результате этого процесса превращается в компактный объект — нейтронную звезду — или схлопывается в черную дыру. Взрыв звезды массой до 30 солнечных в основном приводит к рождению нейтронных звезд. Звезды тяжелее оставляют после себя черные дыры.

Для рождения черной дыры необходимо упаковать массу в пространство с радиусом, который соответствует массе этой звезды, — он называется гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда. Для Солнца показатель равен примерно трем километрам — то есть для того, чтобы Солнце стало черной дырой, нужно всю его массу утрамбовать в сферу этого радиуса. Радиус Шварцшильда для Земли составляет всего около 9 миллиметров — это значение позволяет примерно представить, какой именно плотности достигает вещество в нейтронной звезде. Такое состояние для вещества — последняя остановка перед коллапсом. И если речь идет о нейтронной звезде рекордной массы, то для физиков это означает возможность существования еще более экстремального состояния вещества, которое не «схлопывается» в черную дыру.

До сих пор самыми тяжелыми нейтронными звездами с достаточно точно измеренными массами были объекты PSR J0740+6620 (2,08 массы Солнца) и PSR J0348+0432 (2,01 массы Солнца). Масса нового объекта составляет 2,35 солнечных масс — и это делает его либо экстремально тяжелой нейтронной звездой, либо рекордно легкой черной дырой.

«Пока можно сказать, что обнаружен очень интересный объект. Непонятно, что это, но его можно изучать дальше — в отличие от сливающихся пар черных дыр и нейтронных звезд в далекой Вселенной, о которых мы узнаем благодаря гравитационным волнам. В течение нескольких лет параметры „рекордсмена“ будут существенно уточнены и станет яснее — массивная ли это нейтронная звезда или все-таки легкая черная дыра. И то, и другое будет интересно. Теоретики сейчас будут писать статьи — или модифицируя свои модели нейтронных звезд, чтобы дотянуться повыше по массе, или модернизируя модели коллапса, чтобы делать более легкие черные дыры. И то и другое позволит нам понять чуть лучше, как устроена материя», — резюмирует Сергей Попов.

Коротко о радиотелескопе, с помощью которого было сделано открытие

Промежуточный объект, о котором шла речь выше, был обнаружен благодаря наблюдениям на комплексе радиотелескопов MeerKAT (буквально «сурикат») — одной из крупнейших радиообсерваторий мира. Это 64 антенны диаметром 13,5 метра, расставленные в южноафриканской полупустыне Кару и принимающие сигналы в диапазоне длин волн от 3 до 30 сантиметров. Именно «Сурикат» позволил заснять облака космической пыли в центре Млечного Пути.

Эти телескопы участвуют и в инициированном Юрием Мильнером поиске сигналов внеземных цивилизаций. Однако сам по себе MeerKAT — лишь первая фаза еще более крупного международного радиоастрономического проекта SKA (Square Kilometre Array), чьи антенны будут размещены на двух континентах — в Африке и Австралии — и смогут увидеть все пульсары нашей Галактики, которые «светят» на нас.