Нейтронные звездные «горы» вызывают пульсации в пространстве-времени

Коллапсировавшие мертвые звезды, известные как нейтронные звезды, в триллион раз плотнее свинца, и особенности их поверхности в основном неизвестны. Ядерные теоретики изучили механизмы строительства гор, действующие на лунах и планетах нашей Солнечной системы. Некоторые из этих механизмов предполагают, что горы могут быть и у нейтронных звезд.

Горы нейтронных звезд были бы гораздо массивнее, чем любые горы на Земле — настолько массивные, что гравитация только от этих гор могла бы вызвать небольшие колебания, или рябь, в ткани пространства и времени.

Горы, или неосесимметричные деформации вращающихся нейтронных звезд, эффективно излучают гравитационные волны. В исследовании , опубликованном в журнале Physical Review D, ядерные теоретики из Университета Индианы рассматривают аналогии между горами нейтронных звезд и особенностями поверхности тел Солнечной системы.

Как нейтронные звезды, так и некоторые луны, например, луна Юпитера Европа или луна Сатурна Энцелад, имеют тонкую корку над глубокими океанами, а Меркурий имеет тонкую корку над большим металлическим ядром. Тонкие листы могут морщиться универсальным образом. У Европы есть линейные особенности, у Энцелада — полосы, похожие на тигриные, а у Меркурия — изогнутые, ступенчатые структуры.

Нейтронные звезды с горами могут иметь аналогичные типы особенностей поверхности, которые можно обнаружить, наблюдая за непрерывными сигналами гравитационных волн. Внутреннее ядро Земли анизотропно и имеет модуль сдвига, который зависит от направления.

Если материал коры нейтронной звезды также анизотропен, то возникнет деформация, похожая на гору, и ее высота будет увеличиваться по мере ускорения вращения звезды. Такая особенность поверхности может объяснить максимальное вращение, наблюдаемое у нейтронных звезд, и возможную минимальную деформацию радиоизлучающих нейтронных звезд, известных как миллисекундные пульсары.

Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) сейчас занимается поиском пульсаций, которые могли бы вызвать эти горы. Это исследование будет направлено на поиск колебаний в пространстве-времени, известных как непрерывные гравитационные волны. Эти волны настолько слабы, что их можно обнаружить только с помощью очень детального и чувствительного поиска, который тщательно настраивается на предсказанные частоты и другие свойства сигнала.

Первые обнаружения непрерывных гравитационных волн откроют новое окно во Вселенную и предоставят уникальную информацию о нейтронных звездах — самых плотных объектах, не похожих на черные дыры. Эти сигналы также могут стать чувствительной проверкой фундаментальных законов природы.

Обнаружение непрерывных гравитационных волн может кардинально изменить наше понимание нейтронных звезд и взаимодействий в их недрах. Как только ученые получат возможность регистрировать эти слабые сигналы, они смогут глубже изучить механизмы, управляющие динамикой и структурой этих экзотических объектов, находящихся на терминальной стадии эволюции звезд.

Учитывая, что нейтронные звезды представляют собой уникальные лаборатории, где законы физики действуют при условиях, недоступных на Земле, их изучение может помочь ответить на все более важные научные вопросы. Сравнивая наблюдаемые характеристики гравитационных волн с прогнозами, сделанными на основе теоретических моделей, астрономы смогут улучшить свои модели уравнений состояния, описывающих поведение материи при экстремальных плотностях. Это, в свою очередь, поднимет важные вопросы о сильном ядерном взаимодействии и его роли в формировании материи.

К тому же понимание структуры и динамики гор нейтронных звезд может обеспечить ценный контекст для изучения других астрофизических объектов. Сигналы из систем двойных нейтронных звезд, которые в конечном итоге сливаются, будут особенно интересными, так как они помогут выявить наличие гор и их влияние на угловую скорость вращения и ротацию этих звёзд перед слиянием. Путем анализа каждой волны можно будет точно определить массы, спины и расстояния до этих экзотических объектов.

Интересно, что помимо астрофизической значимости, подобные открытия могут иметь и философские аспекты. Это углубление в природу материи и энергии может задать новые вопросы о месте человека во Вселенной. В процессе поиска гравитационных волн исследователи могут неожиданно столкнуться с технологическими и интеллектуальными вызовами, требующими совместных усилий физиков и инженеров в следовании за следующими шагами в этой области.

Будущее астрономии и физики выглядит всё более захватывающим в свете этой работы. Объединяя теорию и наблюдение, ученые добиваются новых принципиальных результатов, которые потенциально могут изменить наше понимание основных законов природы, окружающей нас Вселенной и самой материи. Постепенно мы начинаем распутывать загадки мироздания, которые, возможно, были бы недоступны нашему пониманию без таких мощных инструментов, как LIGO. Предстоящие открытия могут оказать огромное влияние на нашу картину мира и расширить горизонты нашего восприятия реальности.