Екзотична фізика: з'ясувалося, якою має бути нейтронна зірка, щоб стати чорною дірою

Фізики з'ясували, наскільки компактними можуть стати нейтронні зірки, залишки масивних зірок, що вибухнули надновою, і знайшли спосіб перевірити властивості ядерної фізики в дуже екстремальних умовах. Дослідження опубліковано на сервері препринтів arXiv, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Проблема з розміром нейтронної зірки

Коли масивна зірка вибухає надновою, то з'являється нейтронна зірка. Це невеликий (діаметром приблизно 10 км), але дуже щільний об'єкт, що має масу до 3 мас Сонця. Хоча моделі передбачають діаметр нейтронних зірок на рівні 10 км, їхній точний розмір до кінця не зрозумілий. За словами фізиків, хоча масу нейтронної зірки можна дізнатися максимально точно, з розміром виникають проблеми.

Існує кілька причин, чому визначити діаметр нейтронної зірки складно. Усі відомі нейтронні зірки розташовані дуже далеко, але головна проблема пов'язана з тим, що фізики називають рівнянням стану. Воно описує щільність і тиск усередині нейтронної зірки, з якого можна точно визначити її діаметр та інші характеристики.

Проблема в тому, що умови всередині нейтронної зірки настільки екстремальні, що вони виводять наше розуміння ядерної фізики на новий рівень. Столова ложка речовини нейтронної зірки може важити мільярд тонн. Під таким високим тиском атоми стискаються, а позитивно заряджені протони зливаються з негативно зарядженими електронами, утворюючи об'єкт, повний нейтронів.

Екзотична фізика

Але в центрі нейтронної зірки може переважати екзотична фізика. Наприклад, там можуть існувати гіпотетичні частинки гіперони або ж величезна гравітація змушує нейтрони поводитися дуже дивним чином. Перевірити це неможливо, оскільки фізики не можуть відтворити умови всередині нейтронної зірки в лабораторії.

Тому замість одного рівняння стану для нейтронних зірок існує цілий список можливих рівнянь стану, по одному для кожної моделі, що описує можливі умови всередині нейтронної зірки.

Щоб оцінити, наскільки компактною може стати нейтронна зірка, фізики розглянули десятки тисяч рівнянь стану. Але, щоб спростити завдання, вони розглядали тільки максимально можливу нейтронну зірку в кожному випадку.

За словами вчених, для кожного рівняння стану існує максимально допустима маса. Будь-яка маса нейтронної зірки, що перевищує максимально допустиму, призведе до утворення чорної діри. Зі спостережень відомо, що максимально допустима маса нейтронної зірки має становити від двох до трьох мас Сонця.

Сюрприз для фізиків

Фізики з подивом виявили, що існує верхня межа компактності нейтронної зірки, і, зважаючи на це, співвідношення між масою нейтронної зірки та її діаметром завжди менше 1 до 3.

За словами вчених, вимірявши масу нейтронної зірки, можна сказати, що її діаметр має бути втричі більшим за її масу. Фізики також виявили, що це співвідношення справедливе для всіх рівнянь стану, незалежно від максимальної маси нейтронної зірки.

На перший погляд це може здатися дивним, оскільки можна було б автоматично припустити, що наймасивніші нейтронні зірки будуть найкомпактнішими, оскільки їхня гравітація буде сильнішою, намагаючись змусити їх стискатися. Замість цього екзотична ядерна фізика, що діє в нейтронних зірках, мабуть, врівноважує ситуацію, кажуть учені.

Тепер залишилося перевірити цю теорію за допомогою майбутніх спостережень.

Як уже писав Фокус, астрономи виявили, що надмасивна чорна діра запускала потужне випромінювання через кілька місяців після руйнування зірки. Це свідчить про те, що чорні діри іноді "прокидаються"після періодів бездіяльності.

Також Фокус писав про те, що вчені виявили величезний кратер на півдні Китаю, який утворився внаслідок падіння астероїда 10 000 років тому. У результаті падіння виділилася енергія, еквівалентна 600 000 тонн тротилу.