Странная звездная сказка

В последнем номере журнала Nature опубликованы, по-видимому, первые результаты одновременного определения массы и радиуса нейтронной звезды. Объединив данные нескольких независимых измерений для одной из компонент системы EXO0748-676, астрофизик Фериал Озел из Аризонского университета пришел к «удивительному» выводу:

нейтронные звезды действительно состоят из нейтронов.

Вывод этот, однако, неутешителен для многих физиков-ядерщиков, которые надеялись, что нуклоны – элементарные частицы, составляющие ядра атомов обычного вещества, – при очень больших плотностях распадаются на составляющие их кварки.

Система EXO0748-676 состоит из двух компонент – маленькой и массивной нейтронной звезды и звезды нормальной, большой по размерам, но маломассивной, вещество которой перетекает на твердую поверхность миниатюрной соседки. Время от времени вещества накапливается так много, что в нем начинается ядерная реакция превращения водорода в гелий, по сути, термоядерный взрыв, охватывающий всю поверхность нейтронной звезды. В такие моменты телескопы на околоземной орбите регистрируют рентгеновскую вспышку в двойной системе.

Фериал Озел рассмотрел результаты измерений нескольких величин – гравитационного покраснения света, а также температуры и потока рентгеновского излучения звезды во время вспышек. Первый из этих параметров – гравитационное красное смещение, – определяющий силу притяжения на поверхности нейтронной звезды, чувствителен к соотношению ее массы и радиуса. Определить его довольно легко, достаточно лишь обнаружить линии в рентгеновском спектре источника и правильно определить, каким элементам они принадлежат. После этого остается лишь сравнить наблюдаемые энергии фотонов в этих линиях со значениями, полученными в земных лабораториях.

Что касается остальных величин, то в EXO0748-676 наблюдаются рентгеновские вспышки двух типов. В первом случае взрыв происходит непосредственно на поверхности. При этом плотность потока излучения в сочетании с температурой звезды позволяет определить отношение ее радиуса к расстоянию до системы. При определении этого параметра, впрочем, приходится полагаться на модель атмосферы нейтронной звезды и делать предположения о ее химическом составе. Именно неопределенность последнего параметра больше всего влияет на точность измерений Озела.

При вспышках второго типа мощность излучения, как говорят астрономы, достигает предела Эддингтона, то есть оказывается столь высокой, что оно приподнимает слой, излучение от которого мы наблюдаем, над поверхностью звезды. Приподнимается он до тех пор, пока сила гравитационного притяжения не сравняется с силой давления излучения. По мере того как запасы ядерного топлива истощаются и поток излучения падает, светящаяся оболочка возвращается на твердую поверхность. Баланс между гравитацией и давлением, соответственно, позволяет связать массу нейтронной звезды и расстояние до системы с наблюдаемым на околоземной орбите потоком рентгеновского излучения.

Независимое определение всех трех параметров во время вспышек – отношения массы звезды к ее радиусу, радиуса к расстоянию до Земли и расстояния до Земли к массе – позволяет определить все три величины отдельно. Оказалось, что EXO0748-676 находится на расстоянии около 30 тыс. световых лет, ее масса около двух масс Солнца, а радиус в зависимости от предполагаемого химического состава от 12 до 20 км.

Именно измерение массы и радиуса наиболее интересны. По-видимому, они закрывают возможность наличия в центре этой звезды странного вещества, состоящего из свободных кварков.

Как предполагали ученые, при грандиозной плотности вещества, находящегося в центрах нейтронных звезд, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, способны покидать свои родительские частицы и свободно путешествовать между ними. Такое вещество пока не наблюдалось в земных лабораториях, однако было бы очень интересно с теоретической точки зрения.

Тем не менее странные звезды, согласно расчетам, должны обладать малым радиусом – до десятка километров и относительно небольшими массами – не больше полутора масс Солнца. Именно эти обстоятельства и делали странные звезды привлекательными с астрофизической точки зрения: имевшиеся до недавнего времени оценки массы нейтронных звезд никогда не превышали предел, предсказываемый теорией странных звезд.

Объяснить в рамках странной модели результаты измерений Озела не представляется возможным. Как заключает автор исследования, обычные частицы – протоны и нейтроны, а не свободные кварки – населяют внутренности нейтронных звезд. По крайней мере той нейтронной звезды, которую исследовал астрофизик.