Гравитационные волны помогли "пощупать" мертвые звезды

Анализ данных, полученных детекторами LIGO во время первых наблюдений за слиянием нейтронных звезд, помог астрономам выяснить, что их диаметр не может быть меньше 10,7 километра. 

"Мы ожидаем, что LIGO удастся проследить и за другими слияниями нейтронных звезд в ближайшем будущем, и что эти данные помогут нам понять, как устроена материя этих "мертвых светил" и как они выглядят в целом", — заявил Андреас Баусвайн (Andreas Bauswein) из Института теоретических исследований в Гейдельберге (Германия).

Гравитационный детектор LIGO, открывший гравитационные волны в сентябре 2015 года, совершил свое следующее эпохальное открытие в августе этого года, обнаружив колебания пространства-времени, порожденные слиянием двух нейтронных звезд – "выгоревших" останков обычных светил, исчерпавших все запасы водорода и закончивших свою жизнь взрывом сверхновой.

Их открытие впервые позволило ученым локализовать источник гравитационных волн – галактику NGC 4993 в созвездии Гидры, и подтвердить, что подобные события сопровождаются мощной вспышкой рентгеновского излучения. Вдобавок, как отмечает Баусвайн, эти наблюдения впервые позволили ученым начать практическое, а не теоретическое изучение главной тайны пульсаров и нейтронных звезд.

Дело в том, что плотность недр нейтронных звезд настолько высока, что электроны в них начинают сливаться с протонами в ядрах атомов гелия, углерода и других элементов, превращаясь в некую экзотическую материю, свойства которой до сих пор не до конца ясны. Часть ученых считает, что она похожа по своим свойствам на жидкость, состоящую из нейтронов, а не на твердую материю, а в центре, где давление особенно высоко, она может превращаться в чистую кварково-глюонную плазму, аналог материи времен Большого Взрыва.

Отсутствие реальных данных наблюдений породило большое множество математических моделей, в соответствии с которыми размеры и свойства нейтронных звезд могут радикально различаться. Проверить их, по словам Баусвайна, ученые не могли до публикации первых данных по слиянию нейтронных звезд, открытых LIGO и рентгеновскими телескопами 17 августа 2017 года.

Как объясняет астроном, размеры и свойства нейтронных звезд должны сильно влиять на то, как именно происходит их слияние и как меняется сила гравитационных волн на последних этапах этого катаклизма. Руководствуясь этой идеей, астрофизики-теоретики построили несколько компьютерных моделей, в которых сталкивались нейтронные звезды, описываемые этими математическими моделями.

Сравнивая результаты этих столкновений с тем, какие реальные гравитационные волны и пучки рентгеновского излучения были порождены парой нейтронных звезд в галактике NGC 4993, ученые пришли к выводу, что минимальный диаметр подобного "мертвого светила" должен составлять 10,68 километра, а максимальная масса может быть примерно в 2,74 раза больше, чем у Солнца.

Это, как отмечают исследователи, исключает целый пласт теоретических моделей, постулирующих, что нейтронные звезды могут иметь диаметр, меньший, чем 10 километров, при сохранении аналогичной массы или при превышении этой отметки. Несмотря на это уточнение, ученые пока не могут однозначно определить, как устроены недра нейтронных звезд – существуют десятки теорий, которые укладываются в эти ограничения.

Открытие других пар нейтронных звезд после обновления и перезапуска LIGO, как надеется Баусвайн, поможет сузить и этот набор моделей, и вплотную приблизиться к ответу на одну из главных "космических" загадок физики.