24.03.2026. - Что находится внутри нейтронных звезд

Что находится внутри нейтронных звезд

Нейтронные звезды содержат одни из самых экстремальных сред во Вселенной: их плотность в несколько раз превышает плотность атомных ядер, и они обладают одними из самых сильных гравитационных полей из всех известных объектов, уступая только черным дырам. Впервые они были обнаружены в 1960-х годах, но большая часть внутреннего состава нейтронных звезд до сих пор неизвестна. Ученые начинают рассматривать гравитационные волны, испускаемые двойными нейтронными звездами - парами нейтронных звезд, обращающихся по взаимным орбитам, — как возможные источники информации об их внутреннем устройстве.

Физики из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне совместно с коллегами из Калифорнийского университета, Санта-Барбары, Университета штата Монтана и Института фундаментальных исследований Тата в Индии совершили крупный теоретический прорыв в понимании того, как двойные нейтронные звезды, вращающиеся во времени, реагируют на приливные силы, что является ключевым шагом в изучении нейтронных звезд- макияж. Команда ученых доказала, что зависящие от времени приливные реакции таких звезд могут быть описаны в терминах их колебательного поведения, или режимов, расширяя аналогичный результат от ньютоновской гравитации до релятивистских условий.

Это исследование было опубликовано по предложению редакции в журнале Physical Review Letters 18 февраля 2026 года и открывает путь к исследованию внутренней структуры нейтронных звезд и некоторых наиболее экстремальных типов материи в природе с помощью гравитационных волн.

Нейтронные звезды: естественная лаборатория для изучения экстремальной материи

Как следует из их названия, нейтронные звезды частично состоят из нейтронов, которые могут образовываться, когда протоны и электроны сжимаются до такого высокого давления, что они, по сути, "сливаются" вместе. Но нейтроны - это еще не все. Ведущие теории предполагают, что тяжелые элементы, свободные электроны и протоны также являются важными компонентами. Некоторые даже подозревают, что квантовые сверхтекучие и сверхпроводящие фазы возникают глубже. Однако эти предположения трудно проверить, и большая часть внутренней композиции — особенно внутри ядра — по-прежнему вызывает огромный вопросительный знак.

Но нейтронные звезды интересны не только сами по себе. Ученые считают, что они могут рассказать нам об экстремальной физике в целом. Теоретики предполагают, что нейтронные звезды представляют собой один из примеров более общего вида материи, известного как кварк-глюонная плазма, - очень плотного и горячего состояния материи, состоящего из кварков, элементарных строительных блоков протонов и нейтронов. Такая материя существует только в самых экстремальных условиях, таких как ранняя Вселенная в первые несколько микросекунд после Большого взрыва.

Единственный способ изучить кварк-глюонную плазму на Земле - это сталкивать высокоэнергетические частицы в коллайдерах, которые исследуют такую плазму при необычайно высоких температурах. Однако при более низких температурах лабораторных методов не существует.

Профессор физики из Иллинойса Николас Юнес (Nicolas Yunes) сказал: "Очень трудно изучать физику вещества при таких высоких плотностях и, условно говоря, низких температурах. Но Вселенная предоставляет естественную лабораторию для изучения такого рода материи с помощью нейтронных звезд".

Очевидно, что, поскольку нейтронные звезды не могут быть изучены на Земле, физики должны делать выводы об их свойствах на основе астрофизических наблюдений, которые традиционно ограничивались электромагнитными наблюдениями. Однако с появлением гравитационно-волновой астрономии физики обнаружили мощную альтернативу, которая может позволить им заглянуть в самое сердце нейтронной звезды.

Шепот гравитационных волн

Иногда нейтронные звезды образуют двойные системы, в которых две звезды движутся вокруг общего центра масс. Оказавшись на орбитах друг друга, они начинают сближаться по спирали, теряя энергию из—за гравитационных волн - колебаний в пространстве-времени, которые распространяются наружу со скоростью света. По мере того, как они сближаются по спирали, каждая звезда притягивает к себе свою партнершу с помощью гравитации, создавая приливные силы, как Луна на Земле, прежде чем, наконец, слиться в сильном столкновении.

Изображение пары нейтронных звезд во время вдоха. Каждая звезда оказывает приливное воздействие на соседнюю, что деформирует и возбуждает частотные паттерны внутри нее, оставляя отпечатки на излучаемых гравитационных волнах. Исследователи могут анализировать эти гравитационные волны, чтобы "слышать", что происходит внутри звезд. Изображение создано Абхишеком Хегаде и Николасом Юнесом с помощью OpenAI ChatGPT Pro.

Бывший аспирант-физик из Иллинойса, а ныне аспирант Принстонского университета Абхишек Хегаде (Abhishek Hegade) поделился: "По мере приближения звезд приливные силы, исходящие от одной звезды, начинают деформировать другую, и наоборот. Степень деформации зависит от того, что находится внутри звезд".

Эти деформации возбуждают колебательные паттерны, называемые модами, внутри звезд, подобно тому, как удары молотка по колоколу вызывают мелодию звонка. Эти моды оставляют отпечатки на излучаемых гравитационных волнах, которые могут улавливаться чувствительными детекторами на Земле. "Прислушиваясь" к этим отпечаткам, ученые, возможно, смогут сделать вывод о том, что происходит внутри.

Юнес объяснил: "Если мы сможем понять частоту колебаний и время их затухания, мы, возможно, сможем определить состав нейтронных звезд в режиме, недоступном на Земле".

Правильное определение приливного отклика

Чтобы расшифровать отпечатки режимов, ученые должны сначала понять, как нейтронные звезды реагируют на приливные силы, что является сложной задачей, поскольку эти силы — и, следовательно, приливная реакция — динамичны и быстро меняются в зависимости от времени, особенно на поздних стадиях вдоха.

Для динамических приливных реакций нерелятивистских ньютоновских тел решениями гравитационных уравнений Ньютона являются моды, которые ведут себя подобно демпфированным пружинам, или, как выражаются физики, затухающим гармоническим осцилляторам. Более того, приливная реакция объекта может быть полностью выражена в терминах этих режимов — не более того, — образуя так называемый "полный" набор.

Юнес подчеркнул, что выражение откликов приливов таким образом имеет решающее значение, отметив: "Без полного набора режимов вполне возможно, что вы пропустите часть отклика приливов при его моделировании, поскольку, возможно, есть другие элементы, которые вы упускаете из математического описания отклика, необходимого для его получения вся эта физика."

Ученые всего мира надеялись, что в общей теории относительности Эйнштейна также существует полный набор режимов для двойных нейтронных звезд. Но вдохновляющие нейтронные звезды в высшей степени релятивистичны: они чрезвычайно плотны и могут развивать скорость, близкую к 40% скорости света, прежде чем сольются, сильно исказив пространство-время вокруг себя. Эта сложная картина и сама сложность уравнений Эйнштейна помешали попыткам физиков определить, образуют ли моды нейтронных звезд полный набор гармонических осцилляторов.

Во-первых, из-за того, что в двойной системе есть две звезды, трудно выделить влияние одной звезды на другую, и возникает ситуация, когда решения управляющих уравнений звезд больше не удовлетворяют правильным математическим ограничениям или граничным условиям, необходимым для возникновения полных мод.

"Более того, - добавил ведущий автор исследования Хегаде, - собственная гравитация звезды изменяет уравнения внутри и снаружи нее самой. Этого не происходит в ньютоновской системе тяготения, где все происходит в вакууме. Чтобы интерпретировать приливную реакцию звезды с точки зрения ее мод, вам также необходимо знать приливное поле как снаружи, так и внутри звезды.

"Кроме того, потеря энергии из-за гравитационного излучения также не учитывается ньютоновской теорией. Если ваша система теряет энергию, то ее режимы не могут быть полными, поэтому вы не можете разложить какое-либо возмущение по режимам."

Поиск режимов

Чтобы устранить эти препятствия, команда Юнес разбила проблему на более простые части, сосредоточив внимание на одной звезде и рассматривая ее партнера как источник приливов. Если бы они смогли правильно применить граничные условия, то, возможно, смогли бы найти полный набор режимов. Начав с набора линеаризованных уравнений Эйнштейна-Эйлера, которые описывают, как материя генерирует гравитационные поля и эволюционирует в пространстве-времени, они разделили внутреннюю и внешнюю части звезды на отдельные области (см. диаграмму): зону сильной гравитации и зону слабой гравитации.

Хегаде пояснил: "С физической точки зрения это очень интуитивный способ представить систему. Внутри звезды, а также вблизи ее поверхности гравитация сильна. Но на большом расстоянии гравитация слаба.

"Этот процесс называется согласованным асимптотическим разложением, при котором вы увеличиваете масштаб в разных масштабах, а затем находите приближенные решения. Наконец, вы объединяете решения, чтобы получить что-то однородное во всех масштабах".

Декомпозиция системы таким образом и тщательное объединение решений для сильной и слабой зон позволили исследователям по частям задать соответствующие граничные условия. Важно отметить, что включение зоны слабой гравитации в анализ команды позволило успешно устранить излучение.

"Наше разложение в ближней зоне позволило нам учесть приливное поле", - отметил Хегаде. "Ограничившись ближней зоной, мы позаботились о радиации, вычтя ее и обработав как небольшую поправку. Это позволило нам получить полный набор режимов".

Исследователи также разработали метод определения поля приливов внутри звезды. Манипулируя уравнениями Эйнштейна-Эйлера подходящим образом, они обнаружили, что могут рассматривать внутреннее поле приливов как источник колебаний. В частности, они обнаружили, что до тех пор, пока приливное поле изменяется без каких-либо резких скачков или острых углов, уравнения описывают режимы гармонических колебаний — точно так же, как в ньютоновской теории.

От моделирования к реальным данным

Имея в своем распоряжении полный набор режимов гармонических колебаний нейтронной звезды, исследователи достигли именно того, что намеревались сделать.

Хегаде резюмировал: "Мы продемонстрировали две важные вещи. Во-первых, мы смогли исключить излучение, обнаружив, что режимы нейтронной звезды действительно образуют полный набор. Во-вторых, мы обнаружили, что если вы последовательно решаете определенный набор уравнений, используя достаточно "гладкое" приливное поле, то это решение для внутренней части звезды, и вы можете делать все то же самое в общей теории относительности, что и в ньютоновской теории тяготения".

Теперь исследователям не терпится узнать, что может открыть их новая система.

Юнес сказал: "Одна из надежд заключается в том, что мы сможем получить некоторую информацию об уравнении состояния нейтронной звезды при плотностях, обнаруженных во внутреннем ядре нейтронной звезды. Действительно ли существует кварковое ядро, как недавно утверждали некоторые? Происходят ли внутри него фазовые переходы, о которых мы пока не знаем?"

Но с ответами на эти вопросы, возможно, придется подождать.

Юнес отметил: "Соотношение сигнал/шум, полученное в результате совместной работы LIGO в их последних данных за 2017 год, недостаточно велико, чтобы мы могли увидеть особенности, которые мы зафиксировали в нашей модели. Кроме того, современные детекторы не настолько чувствительны к достаточно высоким частотам, на которых хранится большая часть информации о режимах колебаний нейтронных звезд".

Многие надеются, что новые поколения детекторов, которые, как ожидается, появятся в сети в ближайшие несколько лет, вместе с удачными открытиями близлежащих событий слияния, позволят повысить соотношение сигнал/шум и чувствительность, необходимые для получения более подробных данных.

До тех пор у физиков есть много времени, чтобы подготовиться к созданию ожидаемых детекторов. У команды Юнес уже есть несколько предложенных направлений: их нынешняя схема применима только к невращающимся звездам, поэтому они надеются расширить ее, включив в нее также вращение, поскольку большинство нейтронных звезд вращаются быстро. Они также планируют повторить свой анализ нелинейных приливных сил и включить в него негравитационные поля, такие как магнитные. Однако, с точки зрения их новой обобщенной модели, они преодолели самое сложное препятствие.

Хегаде сказал: "Самое приятное в нашем новом фреймворке то, что мы разобрались с самой сложной частью — гравитацией. Теперь остается только применить наши модели к более реалистичным конфигурациям".

Источник