Нейтронные звезды как ключ к познанию черных дыр

Вступление

По своей природе нейтронные звезды довольно маленькие небесные объекты, особенно по меркам вселенной, но очень массивные, тем самым очень сильно искажая часть пространства вокруг себя и пагубно влияя на планеты или другие звезды, находящиеся в гравитационной зоне ее влияния. Именно из-за этого, а также из-за того, что нейтронную звезду человечество может наблюдать в свои телескопы, такой объект поможет лучше понять природу черных дыр, которые схожим образом искривляют ткань пространства-времени.

Характеристика нейтронной звезды

Начнем с самого простого – с самых основ и базовых аспектах – характеристика нейтронных звезд. Нейтронная звезда – космическое тело, являющееся одним из возможных результатов эволюции звезд, состоящее, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (около 1 км) корой вещества в виде тяжелых атомных ядер и электронов.

Рис.

Человечеству известны только несколько видов нейтронных звезд:

• Пульсар – космический источник радио-, оптического-, гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических импульсных всплесков. Представляют собой вращающиеся звезды со средней скоростью осевого вращения 600 оборотов в секунду [1].
• Магнитар – нейтронная звезда, обладающая исключительно сильным магнитным полем (до 1011 Тл), он настолько сильно сжат, что горошина его материи весила бы более 100 миллионов тонн. Жизненный цикл достаточно короток (после 10 тыс. лет сильные магнитные поля пропадают) [1].
• Рентгеновский пульсар – источник переменного периодического рентгеновского излучения и очень сильного магнитного поля, излучающий свет за счет аккреции, а также быстро вращающийся. Сочетает в себе особенности двух прошлых.

Данные звезды возникают в результате вспышек сверхновых звезд, масса которых более чем в 8 раз превышает массу Солнца (М☉). В большинстве случаев, после взрыва (коллапса звезды-предшественницы), у ядра сохраняется угловой момент, из-за которого ядро, которое уже фактически является нейтронной звездой, появляется угловая скорость и оно начинает обращаться вокруг своей оси с огромной скоростью. Самой быстро вращающейся из известных нейтронных звезд является PSR J1748-2446ad [2], вращающаяся со скоростью 709 оборотов в секунду или 42 540 оборотов в минуту, что дает линейную скорость у поверхности порядка 0,24 с (Это почти четверть скорости света).

Блицары

Существует также гипотетический вид нейтронных звезд, которые называются блицары. Это радиоисточники, характеризующиеся короткими, но очень мощными радиоимпульсами, длящиеся порядка несколько миллисекунд. Чтобы подробнее раскрыть тему, предлагаю ознакомиться с реально зафиксированным подобным всплеском.

Впервые и абсолютно случайно быстрый радиовсплеск был обнаружен в феврале 2007 года. Группа профессора Университета Западной Вирджинии Дункана Лоримера проводила анализ данных, полученных 64-метровым телескопом Парксом. Сигнал был единичным, мощным, но очень коротким – несколько миллисекунд. Всплеск (FRB 010724) [3]. Дункан Лоример и ряд исследователей пришли к выводу, что обнаруженный быстрый радиовсплеск, с длительностью менее пяти миллисекунд и спектральной плотностью потока излучения в 30 (±10) янских, исходит из точки, расположенной в 3° от Малого Магелланова Облака, с расстояния не более чем примерно 1 гигапарсек (3 млрд световых лет). Очень редкий случай, который сильно схож со взрывом сверхновой. Но в январе 2015 года был обнаружен подобный очередной быстрый и мощный радиоимпульс. По архивным данным был произведён поиск гравитационной-волновых событий и быстрых радиовсплесков, которые были бы близки во времени и исходили из одной и той области неба. Из 21 события слияния нейтронных звёзд одно примерно совпало с быстрым радиовсплеском. Речь идёт о гравитационно-волновом событии GW190425 и последовавшим за ним (спустя 2,5 часа) быстром радиовсплеске FRB 20190425A (FRB – Fast Radio Bursts). Вероятность совпадения между несвязанными событиями FRB и GW в базах данных оценивается в 2,8 σ (0,52 %). При слиянии двух нейтронных звёзд массами 2,03-0,34+0,58М☉ и 1,35-0,26+0,26М☉ образовался объект массой 3,23-0,11+0,33М☉, который после затухания осцилляций поверхности и образования равномерно вращающейся нейтронной или кварковой звезды обладал массой 3,16-0,24+0,40М☉. Разница по массе исходных нейтронных звёзд и образовавшейся звезды была излучена в виде гравитационных волн, электромагнитного излучения, а также истечения вещества при их слиянии и выбросе нейтрино. Масса образовавшейся звезды превосходит предел Оппенгеймера–Волкова, который по некоторым расчётам оценивают в 2,63-0,23+0,39М☉ для нейтронной звезды. Далее из-за потери энергии вращения посредством магнитного поля спустя 2,5 часа произошёл коллапс в чёрную дыру, а высвободившаяся энергия магнитного поля дала быстрый радиовсплеск. Определённую проблему в данном случае составляет масса получившегося объекта. Предел Оппенгеймера–Волкова для невращающейся нейтронной звезды оценивают в 2,01 - 2,16 М☉. Вращение позволяет существовать нейтронным звёздам с массами на 20 % выше этого.

Предложения

Однако, если данные события действительно каким-то образом связанны друг с другом, то можно сделать вывод о существовании неких звезд, которые и зовутся блицарами. Такие объекты являются сверхмассивными нейтронными звездами, которые перескочили предел Оппенгеймера-Волкова, но еще не коллапсировали в черную дыру. Мощность такой вспышки, длящейся всего около миллисекунды, сопоставима с гамма-всплесками, которые сопровождают взрывы сверхновых и рождение чёрных дыр. От коллапса звезду спасает огромная центробежная сила, которая создается из-за большой скорости вращения. Блицар имеет очень сильное магнитное поле, которое, вращаясь вместе со звездой, «вычищает» окружающее пространство от материи и в то же время тормозит вращение звезды. Рано или поздно центробежные силы уменьшаются настолько, что звезда превращается в чёрную дыру. По наблюдениям, описанными мной выше, можно сделать вывод, что такие объекты теряют свое магнитное поле за несколько часов, хотя не исключено, что могут и больше. При этом не происходит гамма-всплеска, так как по современным представлением для него нужно, чтобы коллапсирующую звезду окружал аккреционный диск, который представляет собой вращающуюся материю, которой в свою очередь нету вокруг блицара из-за того же магнитного поля. В момент коллапса сама звезда – источник магнитного поля – оказывается за горизонтом событий и больше не может с этим магнитным полем взаимодействовать. В результате магнитное поле как бы «отрывается» от звезды и порождает короткую, но очень мощную вспышку в радиодиапазоне.

Если учесть то, что объект PSR J1748-2446ad имеет скорость вращения 709 оборотов в секунду, что равно 42 540 оборотов в минуту, а также масса объекта оценивается примерно в 2,08 М☉, то я могу предложить охарактеризовать данный объект как блицар. Что также можно сказать по поводу объекта FRB 20190425A, который до слияния был двумя нейтронными звездами с массами 2,03-0,34+0,58М☉ и 1,35-0,26+0,26М☉, что я описал выше, то по итогу дает нам тело с массой примерной 3,38 М☉, что явно больше предела Оппенгеймера-Волкова. Таких объектов спасает центробежная сила, чтобы не стать черной дырой.

Именно поэтому я предлагаю продолжать усиленно исследовать объекты следующих параметров:

• Должен быть нейтронной звездой
• Масса более 2,06 - 2,16 М☉

С помощью таких нейтронных звезд мы сможем лучше понять, каким образом появляются черные дыры, саму сущность черных дыр и их влияние на пространство-время. Нейтронные звезды очень схожи по параметрам с черными дырами. Предлагаю изучать планеты на орбитах нейтронных звезд. На такую роль могу предложить нескольких кандидатов. PSR B1257+12 - нейтронная звезда с массой 1,5 М☉. Данный пульсар интересен тем, что имеет свою планетарную систему, состоящую из трех планет: PSR B1257+12 b (Драугр), PSR B1257+12 c (Полтергейст), PSR B1257+12 d (Фобетор) - Две из них являются суперземлями с массой в 4-5 раз больше нашей планеты, третья – немного больше Луны и считается самой маломассивной известной планетой. Данная планетарная система отдалена от нас на 2300 световых лет, что не так уж и далеко, особенно с телескопом Джеймса Уэбба. Другие телескопы позволяют нам видеть примерно до границы нашей галактики. Также присутствует объект RX J1856, который является самой близлежащей нейтронной звездой, имеющей массу 0,9 М☉ и отдаленную на 122 парсек от Земли (около 400 световых лет). На расстоянии 12 400 световых лет от Земли вращаются вокруг общего центра масс две звезды: PSR B1620−26 A и PSR B1620−26 B. Первая – пульсар, вторая – белый карлик. Также имеют свою планету (возможно, что даже не одну), – PSR B1620−26 b (Мафусаи́л) – Планета является одной из самых древних из ныне известных экзопланет – по некоторым оценкам, её возраст составляет около 12,7 млрд лет (стара, как свет). Планета достаточно огромная - 2,5 масс Юпитера. Интересно то, что, по всей видимости, не всегда была система из пульсара и белого карлика, а только по прошествию времени, когда звезда-предшественница белого карлика сбросила свою оболочку в полость Роша из-за сильного влияния нейтронной звезды, эта звезда коллапсировала в белого карлика, и теперь они дружно вращаются вокруг общего центра масс. PSR J1719−1438 b – экзопланета (сверхземля), находящаяся на орбите у миллисекундного пульсара. На момент своего открытия PSR J1719-1438 b была плотнейшей планетой из когда-либо обнаруженных, с плотностью, почти в 20 раз превышающей плотность Юпитера (около 23 раз больше плотности воды и 4,8 раз плотнее Земли). Планета немного более массивна, чем Юпитер, имея при этом радиус в 2.5 меньше радиуса Юпитера. Как полагают, она состоит из кислорода и углерода, в отличие от обычных газовых планет (таких как Юпитер и Сатурн), состоящих в основном из водорода и гелия. Кислород, скорее всего, преобладает на поверхности планеты, а углерод концентрируется в глубине. Огромное давление, действующее на планете, позволяет предположить, что углерод кристаллизуется, образуя алмаз.

Итог

Нейтронные звезды - очень загадочные объекты, но видимые, в отличие от черных дыр. И в отличие от черных дыр, их можно изучать. На основании выше написанного, можно сделать вывод, что нейтронные звезды - ключ к разгадке черных дыр. Если даже нейтронная звезда способна удержать коллапс в черную дыру, то нет никаких сомнений, что изучение нейтронных звезд поможет лучше понять природу черных дыр. Данная работы является анализом данных, полученных в открытом доступе, а также является скорее побуждением к действиям, чем открытие чего-то нового.

[1] Вещество не может иметь такую плотность при столь малой массе. Если отделить часть с размером горошины от нейтронной звезды, то масса ее не сможет удержаться и начнет расширяться.