Ця рекордна нейтронна зірка близька до межі маси, дозволеної теорією
Нейтронні зірки - це надзвичайні лабораторії, особливо коли йдеться про пульсари, для дослідження теорій гравітації та стану речовини в екстремальних умовах. Щойно ми виявили ту, яка є, мабуть, наймасовішою з відомих на сьогодні.
Нейтронні зірки були особливо в центрі уваги з часу довгоочікуваного підйому гравітаційної астрономії. Ми пам’ятаємо вражаюче перше виявлення Ліго та Дівою в 2017 році гравітаційних хвиль, випромінюваних зіткненням двох нейтронних зірок. Тоді джерело GW170817 було вперше пов’язано з кілоновою, що спостерігається в полі електромагнітних хвиль. Останнім часом можливе виявлення міфічного зіткнення між нейтронною зіркою та чорною дірою є предметом питань. Аналіз з цього приводу все ще триває.
Футура присвятив кілька робіт нейтронним зіркам, які вперше були відкриті майже 50 років тому як пульсар Джоселін Белл. Зокрема, два, перший з яких видно з цієї останньої статті, розгорнуто представив ці захоплюючі зірки на межі загальної теорії відносності, ядерної фізики, частинок і навіть твердої речовини з нагоди визначення ефекту Шапіро маси пульсара PSR J1614-2230. З цієї обставини ми вимагали пояснень у Еріка Гургульона, директора з досліджень CNRS і члена лабораторії Всесвіту і теорій (Luth), експерта з фізики компактних зірок, таких як білі карлики, чорні діри і, звичайно, зірки. нейтрон.
З масою приблизно в 1,97 рази більше маси Сонця, PSR J1614-2230 вважався наймасивнішою нейтронною зіркою, відомою на сьогодні. Його відкриття було зроблено завдяки одному з радіотелескопів міфічної обсерваторії Зелений банк, розташованої в Західній Вірджинії, США. Робота, що призвела до відкриття знаменитої лінії 21 см від водню, була проведена в обсерваторії Зелений банк. Завжди в цій обсерваторії Роберт Дрейк використовував радіотелескоп Говарда Е. Тателя для проекту "Озма" - початків програми Сеті. .
Пульсари та ефект Шапіро
Сьогодні, як пояснюють дослідники у статті про відкритий доступ до arXiv, для пульсара було встановлено новий рекорд маси, що межує з нинішньою теоретичною межею, за якою нейтронна зірка повинна руйнуватися, даючи дірку зоряного чорного: J0740 + 6620. Цей результат також був отриманий завдяки обсерваторії Зеленого банку.
Розташоване приблизно від 4600 світлових років від Сонця, воно містило б близько 2,14 сонячних мас у кулі діаметром близько 30 кілометрів. Обсяг однієї грудочки цукру в такій нейтронній зірці важив би приблизно 100 мільйонів тонн на Землі. Це відкриття, яке, безсумнівно, потрібно буде підтвердити більш твердо, має дати цінну інформацію про те, що називається рівнянням стану ядерної речовини в екстремальних умовах.
Щодо точних деталей методу оцінки його маси за ефектом Шапіро, Ерік Гургульон тоді дав нам таку відповідь на питання "Що таке ефект Шапіро?" "
Це наслідок загальних рівнянь відносності Ейнштейна, виведених в 1964 р. Ірвіном Шапіро. Ефект схожий на ефект відхилення світлових променів таким небесним тілом, як Сонце, за винятком того, що в цьому випадку він проявляється у вигляді затримки розповсюдження електромагнітних хвиль порівняно з розповсюдженням у просторі. погода. Коли білий карлик затьмарює пульсар, кривизна простору-часу навколо нього вже не дозволяє поширюватись прямолінійним електромагнітним імпульсам, що надходять від пульсара. Траєкторії руху цих імпульсів криві і викликають затримку, що тим важливіше в часі поширення, оскільки об'єкт, відповідальний за цей ефект, є більш масивним.
Масовий рекорд нейтронної зірки
Стаття Лорана Сакко, опублікована 29.10.2010
1,97 +/- 0,04 сонячної маси: пульсар PSR J1614-2230 був би наймасивнішою нейтронною зіркою, відомою на сьогодні. Про це повідомляє група астрономів після чудового точного вимірювання, зробленого за допомогою радіотелескопа Green Bank. Ми повернемось детальніше, у наступній статті, на цьому відкритті, яке має багато наслідків для астрофізики та ядерної фізики.
Навряд чи минуло більше 40 років, як громада астрофізиків визнала існування нейтронних зірок. Проте ідея давня, і майже можна сказати, що вона така ж стара, як відкриття Чадвіком нейтрона в 1932 році. Дійсно, дуже скоро після цього Вальтер Бааде і Фріц Цвікі почали спекулювати на таких зірках, що складаються з нейтронів, перш ніж встановити зв'язок з наднові.
Сьогодні ми знаємо, що Цвікі був принципово правий щодо цього ще в 1934 році. Але ця ідея зустріла певну байдужість у спільноті астрономів і фізиків, можливо, через ексцентричну особистість і важкий характер цього персонажа.
Ясновидіння Ландау та Оппенгеймера
Речі почнуть змінюватися з 1938 року. Майбутній лауреат Нобелівської премії з фізики Лев Ландау припускає існування нейтронних ядер, що виділяють енергію за рахунок радіоактивного розпаду всередині зірок. Цю ідею міг би навіть сформулювати Ландау в 1932 році, якщо ми віримо свідченням Леона Розенфельда, але це обговорюється.
І все-таки фізик, і не в останню чергу, нарешті сприймає цю ідею серйозно: це Роберт Оппенгеймер. Оппенгеймер використовує результати Річарда Толмана щодо сфер рідин загальної теорії відносності зі своїм учнем Волкоффом і проводить перші реальні розрахунки щодо концепції нейтронних зірок.
Ще в 1939 р. Ці двоє дослідників представляють їх як атомні ядра, розміром із зірку. Разом зі своїм студентом Хартлендом Снайдером Оппенгеймер вивчатиме, що відбувається з такими об’єктами, коли вони гравітаційно руйнуються, закладаючи основу теорії чорних дір у процесі.
Ця робота забута після війни, за винятком Джона Вілера, який після допомоги у розробці американських бомб A та H зосереджує увагу на найбільших вибухах у Всесвіті, наднових та Великому вибуху, наприкінці 1950-х та на початку 1960-х.
Піонер (разом з Нільсом Бором) теорії поділу, Вілер використає свої знання ядерної фізики для побудови першого рівняння стану ядерної речовини в нейтронних зірках. Швидко пропонуються більш складні моделі та рівняння станів для цих зірок.
Потрібно було почекати до 1967 року, коли спостереження Джоселін Белл спочатку пульсара, а потім його інтерпретації як обертової нейтронної зірки Томаса Голда та Франко Пачіні, щоб громада астрофізиків була впевнена у існуванні цих захоплюючих зірок з дивні властивості.
Нейтронні зірки - це лабораторія ядерної та адронної фізики
Треба сказати, що ці об’єкти в усіх відношеннях екстремальні, починаючи з густини, гравітаційного поля та магнітного поля. Майже вся фізика необхідна для розуміння властивостей нейтронної зірки: загальної теорії відносності, але також і магнітогідродинаміки, теорії надплинності та теорії надпровідності. Вони також є чудовими лабораторіями ядерної фізики та фізики елементарних частинок. .
Тому не дивно, що перше точне вимірювання маси нейтронної зірки, що досягає майже подвоєної маси Сонця, опубліковане в "Природі", представляє подію з певними наслідками.
Взагалі, нейтронні зірки мають масу, дуже близьку до маси Чандрасехара, яка приблизно в 1,4 рази перевищує масу Сонця. Це не перший раз, коли маса пульсара оцінюється як така, що досягає (і навіть перевищує) 2 маси Сонця, але невизначеність вимірювань не дозволила зробити твердий висновок.
Однак, згідно з масою нейтронної зірки, неможливо розглянути одне і те ж рівняння стану та однаковий склад ядерної речовини в результаті стиснення протонів, нейтронів та електронів ядра зірки. наднової .
Як показано на діаграмі вище, ядро нейтронної зірки може, наприклад, складатися з конденсату π-мезонів, гіперонів, каонів або навіть суміші кварків. Поняття «дивної зірки» через його вміст у дивних кварках навіть запропонував великий математик і теоретик суперструн Едвард Віттен. Тому ми не впевнені в його вмісті адронів, але, навпаки, ми можемо сподіватися дізнатися щось про нуклони та ядерні сили в екстремальних умовах, яких важко досягти на Землі.
Ефект Шапіро для оцінки маси нейтронної зірки
Нейтронна зірка, яка потрапляє в заголовки новин, - це пульсар під назвою PSR J1614-2230. Це частина подвійної системи, розташованої приблизно за 3000 світлових років від нас. Його зіркою-супутником є білий карлик, навколо якого він обертається лише за 9 днів. Пульсар включається 317 разів на секунду.
Оскільки ця двійкова система являє собою систему затемнення, можна отримати дуже хороші результати, використовуючи ефект Шапіро для оцінки маси білого карлика. Тоді ми можемо опосередковано вивести масу нейтронної зірки.
Цей ефект був виявлений в 1964 р. В рівняннях загальної теорії відносності Ірвіном Шапіро і вважався четвертим випробуванням загальної теорії відносності після спектрального червоного зміщення, відхилення світлових променів Сонцем під час затемнення і прецесії перигелію Меркурія .
До всього цього і цього чудового відкриття ми повернемося більш докладно в наступній статті з Еріком Гургульоном. Директор з досліджень CNRS і член лабораторії Universe et theories (LUTH), він є одним з провідних французьких фахівців у галузі фізики компактних зірок, таких як нейтронні зірки.