Физики вычислили максимальную массу нейтронных звезд

Авторы пишут, что при такой оценке объект GW190814 с массой 2,59 массы Солнца, а также HESS J1731-347, вероятнее всего, относятся не к нейтронным звездам, а к черным дырам. Если считать GW190814 нейтронной звездой, он не укладывается в одну из использованных моделей: вещество внутри объекта такой массы должно было бы слишком слабо деформироваться, а это противоречит ограничениям, которые ученые получили из наблюдений слияния нейтронных звезд GW170817.

Новая работа также возвращает исследователей к уравнениям Толмана — Оппенгеймера — Волкова, которые описывают нейтронные звезды с 1939 года. Авторы считают, что их результат дает для этих уравнений конкретный предел по массе, а заодно уточняет и размер таких объектов: в зависимости от выбранной модели радиус нейтронной звезды немного меняется, но в целом речь идет примерно о 12 километрах.

Чтобы получить эту оценку, исследователи использовали два варианта уравнения состояния — набора правил, который описывает поведение вещества при давлениях внутри нейтронной звезды. Проверить это напрямую нельзя: образец вещества из нейтронной звезды невозможно доставить в лабораторию, поэтому физики опираются на теоретические модели. В работе взяли две версии с разными свойствами вещества.

Модель SFHo описывает нейтронную звезду как объект из более «мягкого» и сжимаемого ядерного вещества. Модель DD2, наоборот, рассматривает вещество как более жесткое и устойчивое к сжатию; ее в первую очередь создавали для более крупных звезд, хотя теоретически обе модели можно применять к нейтронным звездам любых масс. При этом авторам пришлось дополнительно ограничить обе схемы, чтобы скорость звука в таком веществе нигде не превышала скорость света. Для этого они подогнали модели под результаты расчетов, которые используют пертурбативную квантовую хромодинамику, или pQCD.

После этого исследователи сверили свои расчеты с наблюдениями. Сначала они использовали данные телескопа NICER, который изучает горячие пятна на поверхности быстро вращающихся пульсаров, и сузили диапазон допустимых параметров. Затем они обновили модели с учетом данных о том, насколько легко нейтронные звезды деформируются под действием гравитации, — эти ограничения дали наблюдения события GW170817, первого подтвержденного слияния двух нейтронных звезд.

При этом сами нейтронные звезды по-прежнему остаются объектами, чьи свойства трудно соотнести с привычным опытом: масса около двух Солнц у них умещается в шар размером с город, а чайная ложка такого вещества на Земле весила бы миллиарды тонн. Поэтому вопрос о границе между нейтронной звездой и черной дырой до сих пор остается одной из центральных задач в физике компактных объектов.

Читайте также:

• Сверхмассивные черные дыры не только поглощают планеты: они служат яслями небесных тел

• Недостающее звено: астрофизики предложили новый способ искать невидимые черные дыры

На обложке генерация Pro Космос