Нейтронные звёзды поддержали Эйнштейна

Измерение нейтронных звёзд подтверждает теорию относительности Эйнштейна

Теория относительности Эйнштейна получила мощную поддержку от нейтронных звёзд. Предсказанные великим физиком возмущения пространства-времени наблюдали сразу два орбитальных телескопа. Правда, в СМИ максимальные размеры нейтронных звёзд исказились намного сильнее, но это к Эйнштейну уже отношения не имеет.

При помощи двух рентгеновских космических телескопов астрономы смогли зафиксировать предсказанные Эйнштейном возмущения пространства-времени вокруг нейтронных звезд, а также уточнить верхний предел размеров этих интереснейших космических объектов.

Странные звёзды

Материя, из которой состоит нейтронная звезда, обладает чудовищной, плотностью, не встречающейся более нигде в современной Вселенной. Каждый кубический сантиметр нейтронной звезды весит около миллиарда тонн - это масса приличной горы на земной поверхности. Физические свойства такой материи известны лишь теоретически, так как даже в атомных ядрах плотность в несколько раз меньше, а залезть с современными приборами внутрь нейтронных звёзд пока не представляется возможным.

Согласно многим расчётам, при давлении, существующем в нейтронных звёздах, частицы оказываются столь близко друг к другу, что составляющие их кварки, которые при обычных условиях не могут выйти за пределы частицы, способны свободно перемещаться из нуклона в нуклон, то есть образуется своего рода кварковая жидкость. При этом помимо обычных кварков в звёздах появляется множество так называемых «странных», или s-кварков, встречающихся в составе особых, «странных» элементарных частиц. Именно поэтому кварковые звёзды обычно называют «странными».

Свойства кваркового вещества существенно отличаются от свойств вещества, состоящего из отдельных нейтронов. Оно намного податливей в том смысле, что при одном и том же давлении может быть сжато до большей плотности. Физики в таком случае говорят, что уравнение состояния вещества является «мягким», подразумевая сравнение с «жёстким» уравнением состояния нейтронной жидкости. Мягкость, конечно, условная, так как вещество это по-прежнему несравнимо твёрже любых земных минералов.

При мягком уравнении состояния радиус странной звезды тем больше, чем больше её масса. Для чисто нейтронного вещества зависимость обратная - более массивные звёзды обладают меньшими размерами. Кроме того, большинство моделей странных звёзд предсказывают, что их массы вряд ли могут превышать полторы массы Солнца. Массы «обычных» нейтронных звёзд могут доходить до вдвое больших значений - так называемого предела Оппенгеймера-Волкова.

Поскольку для большинства нейтронных звёзд, у которых к настоящему времени измерена масса, она оказывалась в районе 1.4 масс Солнца, многим казалось, что модель странной звезды лучше описывает наблюдения. Отсутствие более массивных нейтронных звёзд также способны объяснить некоторые другие модели, предполагающие образование в центрах нейтронных звёзд конденсатов экзотических частиц.

Для изучения эффектов теории относительности астрономы прибегли к услугам двух орбитальных рентгеновских телескопов — европейского XMM Newton и совместного проекта NASA и японского агентства JAXA — Suzaku. В поле зрения этих мощных научных инструментов попали три двойные системы с нейтронными звездами: Serpens X-1, GX 349+2 и 4U 1820-30. Статья, посвященная наблюдениям с XMM Newton, появилась в журнале Astrophysical Journal Letters от 1 августа, к публикации в том же журнале принята и статья авторов, работавших с телескопом Suzaku.

Телескопы наблюдали линию К в спектре ионов железа аккреционного диска, образованного вращением перетекающего со звезды-компаньона на нейтронную звезду вещества. Поскольку вещество движется в диске со скоростью около 40% от скорости света в сверхмощном гравитационном поле нейтронной звезды, испускаемый ионами свет подвергается возмущениям, предсказываемым теорией относительности.

Наблюдаемые изменения хорошо заметной линии К в спектре ионов железа показали хорошее согласие с теорией относительности.

Более того, они показали и совпадение характера изменений линии К в двойных системах, один из компонентов которых - черная дыра. Только в системах с более массивными черными дырами, гравитация которых мощнее, изменения выражены более явно.

Эти же наблюдения позволили оценить и размеры внутреннего края аккреционного диска, тем самым показав максимально возможный размер самой нейтронной звезды — как говорят астрономы, установить верхний предел размеров. Оказалось, что радиус нейтронной звезды с массой около 1,4 массы Солнца не может превышать 14,5 --16,5 километров.

Кстати, достаточно интересно проследить за размерами нейтронных звезд по мере перемещения их от оригинальной статьи до сайтов российских СМИ. В оригинальной статье астрономов верхний предел радиуса нейтронной звезды с массой 1,4 солнечных (верхний предел размеров и истинные размеры звезды — это очень разные вещи, астрономам удалось только поставить границу, на самом деле звезда может оказаться и меньше) определен в 14,5–16,5 километров. Статья на сайте ЕКА о том же самом дает уже предел, равный 29–33 км. Правда, это диаметр, так что противоречия нету. Зато «КомпьюЛента» показывает 29-47 км (заодно сместив диапазон работы «Ньютона» и «Сузаку» в инфракрасную область). А «Лента.Ру» еще больше расширяет нижнюю границу верхнего предела — 33–38 километров. Впору писать научную работу в тот же Astrophysical Journal — «Увеличение верхнего предела размеров нейтронной звезды по мере продвижения его по различным СМИ».