Маса пульсара PSR J0740+6620 виявилася рекордною для відомих нейтронних зірок: 2,17 від маси Сонця. Значення відповідає верхнім межам теоретичних оцінок і допоможе визначити поки що невідоме рівняння стану речовини при надядерної щільності в надрах нейтронних зірок, пишуть автори у препринтові на arXiv.org.
Нейтронні зірки — це один з можливих кінцевих етапів еволюції звичайних світил. Вони володіють виключно високою щільністю, яка навіть перевищує ядерну. В атомних ядрах щільність може досягати 3*1017 кілограмів на метр кубічний, а в центрі нейтронних зірок, за різними оцінками, може бути в кілька разів більше.
Основною проблемою на сучасному етапі досліджень цих екстремальних об’єктів є невідоме рівняння стану матерії в їх надрах, тобто залежність тиску від щільності. Існує велика різноманітність моделей, які передбачають різну внутрішню будову, розмір та інші властивості нейтронних зірок.
Протестувати різні моделі будови можна за допомогою вивчення мілісекундних пульсарів — швидкообертових нейтронних зірок, яскраве радіовипромінювання з полюсів яких при кожному обороті фіксується на Землі. Багато параметрів таких об’єктів і явищ в їх околицях можна визначити методом пульсарного таймінгу, тобто шляхом тривалих спостережень прийнятих сигналів.
У роботі під керівництвом Ханни Кромарті (Hanna Thankful Cromartie) з Віргінського університету описується визначення маси пульсара PSR J0740+6620 в подвійній системі з білим карликом. Оцінка стала можливою завдяки спостереженню ефекту Шапіро — уповільнення поширення світла при проходженні поблизу масивного тіла. Цей феномен є одним із стандартних проявів загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна і виміряний у багатьох ситуаціях, в тому числі і для планет Сонячної системи.
Залишкова затримка в часі приходу сигналу в залежності від орбітальної фази, нейтронна зірка виявляється за компаньйоном на фазі 0,25. Верхня панель — з урахуванням всіх релятивістських ефектів. Середня панель — результат кращої класичної моделі. Нижня панель — виділена затримка Шапіро.
В даному випадку відповідні умови виникають при русі пульсара позаду компаньйона при орбітальному з’єднанні, тобто попаданні обох тіл на промінь зору. Вимірювання затримки з часу приходу сигналів пульсара і знання параметрів обертання тіл в системі дозволяють з високою точністю обчислити масу пульсара, яка виявилася дорівнює 2,17 сонячних.
Об’єкт став найбільш масивною нейтронною зіркою з відомих на даний момент; зірок цього класу важче двох Сонць в принципі відомо досить мало. Відкриття дозволяє встановити нові обмеження на можливі рівняння стану речовини в надрах нейтронних зірок і вказує на справедливість більш жорстких рівнянь, в яких тиск в залежності від маси зростає швидше. Фізично це відповідає появі відштовхування між частинками при менших густинах.
Найбільш точною оцінкою теоретичної верхньої межі вважається значення 2,16 мас Сонця, вона отримана з використанням інформації про випромінених гравітаційних хвилях в єдиному відомому на даний момент злитті нейтронних зірок. Однак, в межах помилок ці величини узгоджуються.
Нейтронні зірки мають безпосереднє відношення до хімічної еволюції Всесвіту, адже саме в їх злиття утворюються найважчі елементи. Тому вивчення цих об’єктів важливо не тільки в контексті релятивістської астрофізики та фізики високих енергій, але і для інших галузей науки.