Уявіть собі зірку, маса якої вдвічі перевищує масу Сонця, і стисніть її до розмірів стандартного міського району.
У результаті вийде нейтронна зірка - один із найщільніших об'єктів у Всесвіті, що перевищує в десятки трильйонів разів щільність будь-якого матеріалу, що зустрічається на Землі.
Нейтронні зірки самі по собі є унікальними астрофізичними об'єктами, але їхня екстремальна щільність дає нам змогу використовувати їх як лабораторії з вивчення фундаментальних питань ядерної фізики в умовах, які ніколи не відтворяться на Землі.
Через ці екзотичні умови вчені досі не розуміють, з чого саме складаються самі нейтронні зірки. Зокрема, так зване "рівняння стану" (EoS).
Визначення EoS - головна мета сучасних астрофізичних досліджень.
Новий фрагмент головоломки, що обмежує діапазон можливостей, було виявлено парою вчених з IAS: Каролін Райтел, науковою співробітницею Школи природничих наук імені Джона Н. Бахколла, та Еліасом Мостом з Прінстонського університету. Нещодавно спільна робота була опублікована в журналі The Astrophysical Journal Letters.
В ідеалі вчені хотіли зазирнути всередину цих екзотичних об'єктів, але вони занадто малі й далекі, щоб їх надійно зафіксувати за допомогою стандартних телескопів.
Тому астрономи покладаються на непрямі докази, які вони можуть виміряти, наприклад, масу і радіус нейтронної зірки, таким чином розраховуючи EoS.
Досить примітивна технологія, що нагадує обчислення гіпотенузи в прямокутному трикутнику.
Утім, радіус нейтронної зірки дуже важко точно виміряти. Одна з перспективних альтернатив для майбутніх спостережень полягає в тому, щоб замість нього використовувати величину, звану "піковою спектральною частотою" (або f2).
Але як вимірюється f2?
Зіткнення між нейтронними зірками, які підкоряються законам теорії відносності Ейнштейна, призводять до сильних сплесків випромінювання гравітаційних хвиль.
У 2017 році дослідники вперше безпосередньо виміряли такі викиди.
"Принаймні, в принципі, пікову спектральну частоту можна обчислити за гравітаційно-хвильовим сигналом, який випромінює залишок, що коливається, двох нейтронних зірок, що злилися", - стверджує Мост.
Раніше передбачалося, що f2 буде розумним проксі для радіуса, оскільки досі астрофізики вважали, що між ними існує пряма, або "квазіуніверсальна", відповідність.
Однак Райтел і Мост продемонстрували, що це не завжди так. Вони показали, що визначення EoS не схоже на розв'язання простої задачі про гіпотенузу.
Навпаки, це більше схоже на обчислення найдовшої сторони неправильного трикутника, де також потрібна третя інформація: кут між двома короткими сторонами.
Для авторів дослідження третя частина інформації - "нахил залежності маси від радіусу", яка містить інформацію про EoS за вищих густин (і, отже, екстремальніших умов), ніж тільки радіус.
Нове відкриття дасть змогу дослідникам, які працюють із наступним поколінням гравітаційно-хвильових обсерваторій (наступників нині діючого LIGO), краще використовувати дані, отримані після злиттів нейтронних зірок.
За словами Райтел, такі дані можуть розкрити фундаментальні складові матерії нейтронних зірок.
"Деякі теоретичні передбачення припускають, що в ядрах нейтронних зірок унаслідок фазових переходів нейтрони можуть розчинятися в субатомних частинках, які називаються кварками", - заявила Райтел.
"Це означає, що зірки містять море вільної кваркової матерії у своїх нутрощах... Наша робота може допомогти завтрашнім дослідникам визначити, чи відбуваються такі фазові переходи насправді".
