Тяжелые сердца нейтронных звёзд

01.06.17
Тяжелые сердца нейтронных звёзд
Новый космический прибор сможет заглянуть в самую плотную материю во Вселенной Elizabeth Gibney, Nature 546, 18 (01 June 2017) http://www.nature.com/doifinder/10.1038/546018a Уже полвека астрономы и физики смотрят на пульсары и задают вопрос — как такое может существовать? Как может объект размером с небольшой город быть тяжелее Солнца? Как обычная материя превращается в вещество с такой непредставимой плотностью? Полуить ответы на эти вопросы в лаборатории невозможно. Но космический аппарат, который запускается 1 июня, может найти ответы на некоторые из них. Впервые астрономы смогут детально изучить тяжелые «сердца» этих таинственных вращающихся звезд. «Это большой, очень большой шаг к пониманию свойств самой плотной материи во Вселенной» — говорит Тетсуо Хатсуда, физик-теоретик междисциплинарной программы по теоретической физике и математическим наукам RIKEN в Сайтаме, Япония. «Сверхплотное состояние материи в ядре нейтронной звезды — это одна из самых важных и сложных загадок ядерной физики и астрофизики, над которой думают с момента открытия первого пульсара». Пульсары — это нейтронные звезды, которые вращаются и испускают узкие потоки излучения, благодаря которым они и были обнаружены в 1967 году. Нейтронные звёзды формируются из сжимающихся остатков взорвавшихся звёзд. И описание состояния материи внутри пульсаров — это ключ к пониманию многих эффектов фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, физики черных дыр и других космических объектов. «Впервые мы можем получить очень жесткие наблюдательные ограничения на внутреннюю структуру нейтронной звезды», предполагает Натали Дегенаар, астрофизик из Университета Амстердама. На Международную космическую станцию отправлен NICER — специальный прибор для исследования внутренней структуры нейтронных звёзд, аппарат размером со стиральную машину, который по наблюдениям рентгеновских лучей, испускаемых полюсами нейтронных звёзд, сможет вычислить их размеры. Здесь размер имеет значение — чем больше звезда, тем твёрже её ядро, оно лучше противостоит гравитационному сжатию, и, значит, нейтроны там расположены более компактно, с плотностью, большей, чем у атомного ядра. У маленьких звёзд ядро менее плотное, и нейтроны могут быть «растворены» в море кварковой материи, из которой они состоят. Более экзотические модели предполагают, что ядро может состоять из тяжелых гиперонов, составленных из более массивных «странных» кварков. NICER сможет точно определить радиус звезды по наблюдению искривления испускаемого света сильным полем тяготения звезды. Когда испускаемый поток света поворачивается вместе с магнитным полюсом звезды, сигнал ослабевает, но остаётся заметным, поскольку гравитационное поле искривляет путь света так, что он всё равно попадает в наши датчики. Степень искривления луча говорит о величине гравитационного поля, и позволяет вычислить отношение массы звезды к её радиусу. А масса звезды может быть измерена другими методами — она влияет на частоту и энергию излучения. В результате радиус пульсаров теперь может быть вычислен с точностью, в два раза лучшей, чем в предыдущих экспериментах. Но чтобы выполнить эту сложную задачу, NICER должен поймать максимально большое количество фотонов. Для этого у него есть 56 телескопов, воспринимающих длинноволновую часть рентгеновского спектра — в этом диапазоне нейтронные звёзды светят ярче всего. Сигнал записывается кремниевым детектором, время прихода сигнала фиксируется с рекордной точностью — 100 наносекунд. «Точность фиксирования времени безумная, никто такой раньше не достигал» — утверждает Рональд Ремиллард, астрофизик из Массачусетского технологического института, который после завершения основной научной программы прибора планирует использовать NICER для поиска материи, падающей в черные дыры. Миссия NICER также предназначена для проверки нового метода навигации, который позволит космическим аппаратам определять своё положение в пространстве, не рассчитывая на земные телескопы. Таким же образом, как система GPS вычисляет положение человека по сигналам атомных часов от множества спутников, система пульсарной навигации сможет использовать сигналы от множества регулярно вспыхивающих пульсаров. NICER проверит возможность такой навигации на 10 пульсарах. По мнению Кейт Джендро, астронома из Космического центра Говарда (Мэриленд, США), если такая проверка пройдёт успешно, космический аппарат Орион, разрабатываемый сейчас NASA, сможет использовать технологию пульсарной навигации как страховку для традиционных навигационных систем. Пульсары можно будет использовать для навигации как внутри Солнечной системы, так и за её пределами. Перевод: И.О. Орлов