Сотрудники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) предложили теорию,
объясняющую необычайно быстрое остывание самой молодой нейтронной звезды в нашей галактике. За 20 лет
наблюдений температура поверхности этой звезды, находящейся в туманности Кассиопея А и имеющей возраст
345 лет, уменьшилась на несколько процентов, что гораздо больше, чем предсказывала стандартная теория.
Столь молодые нейтронные звёзды остывают изнутри благодаря испусканию нейтрино — лёгких частиц, которые
генерируются в их недрах и способны свободно покидать звезду, унося энергию.
Около 15 лет назад астрофизики предположили, что наблюдаемое ускоренное падение температуры поверхности
нейтронной звезды отражает усиление внутреннего нейтринного охлаждения при возникновении сверхтекучести в
сверхплотном ядре звезды, но со временем стало ясно, что такое объяснение непросто согласовать с имеющимися
данными. Новая модель связывает ускоренное остывание с особо мощными нейтринными реакциями, идущими вблизи
центра звезды даже в отсутствие сверхтекучести. Они быстро охлаждают центральную область, что и проявляется
в остывании поверхности звезды, но не сразу, а с задержкой в сотни лет. Выяснение механизма остывания
нейтронных звёзд должно способствовать определению неизвестных свойств сверхплотного вещества в их ядрах.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ),
опубликованы в Journal of High Energy
Astrophysics.
Остаток сверхновой
Кассиопея А; в центре — остывающая нейтронная звезда, наблюдаемая в рентгеновских лучах космической
обсерваторией «Чандра»
Нейтронные звёзды — самые экзотические из всех звёзд. Их масса примерно такая же, как у Солнца, а радиус
всего около 10 километров — в 70 000 раз меньше солнечного. Вещество внутри таких звёзд сжато намного
сильнее, чем материя в атомных ядрах. Столь плотное вещество может обладать свойствами, схожими со
сверхтекучестью и сверхпроводимостью земных материалов, но при гораздо более высоких температурах. Такая
сверхтекучесть может ускорять нейтринное охлаждение, но ускорение возможно и без сверхтекучести при
включении особо мощных нейтринных реакций.
Обычные звёзды в основном содержат водород, гелий и другие сравнительно лёгкие элементы и долго остаются
горячими за счёт ядерных реакций в этом веществе. Но когда ядерное топливо заканчивается, звёзды теряют
устойчивость и прекращают своё существование в прежнем виде. Если исходная звезда достаточно массивна, то
при потере устойчивости она может взорваться, что проявляется как вспышка сверхновой звезды. После такой
вспышки на небе остается вещество, разметённое взрывом, — остаток сверхновой, наблюдаемый как туманность, а
в центре этого остатка может проявиться нейтронная звезда, как в туманности Кассиопея А.
Чтобы понять, как быстро остывает нейтронная звезда и какие процессы происходят в ней, важно знать ее
возраст, но у большинства нейтронных звезд определить его трудно. Известно всего несколько нейтронных звёзд,
возраст которых точно известен благодаря древним — начиная от XX—XVII веков до нашей эры, — астрономическим
наблюдениям вспышек сверхновых, сопровождавших их рождение. Нейтронная звезда в туманности Кассиопея А —
самая молодая из них, а её остывание уникально: уменьшение температуры её поверхности удаётся наблюдать в
реальном времени, причем причины столь быстрого остывания не до конца понятны.
Срециалисты ФТИ РАН построили новую
модель, которая объясняет столь быстрое остывание. Ранее учёные из той же
группы с коллегами из других стран и независимо
астрофизики из Мексики и США предположили, что быстрое охлаждение звезды в туманности
Кассиопея А связано с возникновением сверхтекучести сверхплотного вещества при понижении температуры в ядре
звезды. Соответствующая теория была независимо разработана теми же группами исследователей ещё раньше, до
обнаружения ускоренного остывания звезды в туманности Кассиопея А.
Новый сценарий остывания стал альтернативой ранее предложенному. Он может реализоваться как при наличии,
так и в отсутствие сверхтекучести. Российские ученые рассчитали остывание для разных моделей нейтронной
звезды и сформулировали условия, при которых теория должна хорошо описывать результаты наблюдений. Более
того, исследователи разработали простую аналитическую модель, которая наглядно объясняет механизм задержки
остывания в первые два столетия жизни нейтронной звезды и его ускорение в настоящее время. Согласно
расчетам, быстрое остывание регулируется не сверхтекучестью, а мощным теплоотводом из небольшого внутреннего
ядрышка звезды, в котором благодаря его высокой плотности открываются процессы особенно интенсивного
нейтринного охлаждения.
Руководитель проекта
член-корреспондент РАН Дмитрий Яковлев
«Наблюдения остывания нейтронной звезды в туманности Кассиопея А космической рентгеновской
обсерваторией «Чандра» продолжаются. Можно надеяться, что дальнейшее изучение этой звезды позволит
надежно определить истинный сценарий ускоренного остывания. Это будет способствовать решению
фундаментальной проблемы физики и астрофизики — определению свойств сверхплотного вещества и внутреннего
строения нейтронных звезд», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом
РНФ, Дмитрий Яковлев, доктор физико-математических наук, член-корреспондент
РАН, главный научный сотрудник ФТИ РАН.
«В дальнейших исследованиях необходимы улучшенные модели остывания нейтронной звезды в туманности
Кассиопея А в разных сценариях. Широкомасштабные исследования нейтронных звёзд сейчас на подъёме.
Теоретики разрабатывают всё более надёжные модели сверхплотного вещества, а наблюдатели тестируют их с
помощью самых разных наблюдений. Мы планируем проводить серии новых расчётов остывания уникальной звезды
на основе самых современных теоретических моделей», — рассказывает ответственный
исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Потехин, доктор
физико-математических наук, главный научный сотрудник ФТИ РАН.
Источник: пресс-служба РНФ.