Німецькі астрофізики уточнили максимально можливу масу нейтронної зірки, спираючись на результати вимірювань гравітаційних хвиль і електромагнітного випромінювання від події GW170817. Виявилося, що маса нейтронної зірки не може бути більше 2,16 мас Сонця, йдеться в статті, опублікованій в.
Нейтронні зірки - це надщільні компактні зірки, які утворюються під час спалахів наднових. Радіус нейтронних зірок не перевищує декількох десятків кілометрів, а маса може бути порівнянна з масою Сонця, що призводить до величезної щільності речовини зірки (близько 1017 кілограм на кубічний метр). У той же час, маса нейтронної зірки не може перевищувати певну межу - об'єкти з великими масами колапсують в чорні діри під дією власної гравітації.
За різними оцінками, верхня межа для маси нейтронної зірки лежить в діапазоні від двох до трьох мас Сонця і залежить від рівняння стану речовини, а також від швидкості обертання зірки. Залежно від щільності і маси зірки вчені виділяють кілька різних типів зірок, схематична діаграма зображена на малюнку. По-перше, зірки, що не обертаються, не можуть мати масу, велику MTOV (біла область). По-друге, коли зірка обертається з постійною швидкістю, її маса може бути, як менше MTOV (світло-зелена область), так і більше (яскраво-зелена), але все ж не повинна перевищувати ще одну межу, Mmax. Нарешті, нейтронна зірка зі змінною швидкістю обертання теоретично може мати довільну масу (червоні області різної яскравості). Втім, завжди слід пам'ятати, що щільність обертових зірок не може бути більше певної величини, інакше зірка все одно колапсує в чорну діру (вертикальна лінія на діаграмі відокремлює стабільні рішення від нестабільних).
Група астрофізиків під керівництвом Лучіано Реццолла (Luciano Rezzolla) встановила нові, більш точні обмеження на максимально можливу масу нейтронної зірки MTOV, що не обертається. У своїй роботі вчені використовували дані попередніх досліджень, присвячених процесам, які відбувалися в системі двох зливних нейтронних зірок і призвели до випромінювання гравітаційних (подія GW170817) і електромагнітних (GRB 170817A) хвиль. Одночасна реєстрація цих хвиль виявилася дуже важливою подією для науки, детальніше про неї можна прочитати в нашій новині і в матеріалі «Народження золота».
З попередніх робіт астрофізиків випливає, що після злиття нейтронних зірок утворилася гіпермасивна нейтронна зірка (тобто її маса M > Mmax), яка надалі розвивалася за одним з двох можливих сценаріїв і через невеликий проміжок часу перетворилася на чорну діру (пунктирні лінії на діаграмі). Спостереження за електромагнітною компонентою випромінювання зірки вказує на перший сценарій, в якому баріонна маса зірки залишається практично постійною, а гравітаційна маса відносно повільно зменшується за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль. З іншого боку, гамма-сплеск від системи прийшов практично одночасно з гравітаційними хвилями (всього на 1,7 секунди пізніше), а значить, точка перетворення в чорну діру повинна лежати близько до Mmax.
Тому якщо простежити еволюцію гіпермасивної нейтронної зірки назад до початкового стану, параметри якого були з хорошою точністю розраховані в попередніх роботах, можна знайти значення цікавої для нас Mmax. Знаючи Mmax, нескладно вже знайти MTOV, оскільки ці дві маси пов'язані співвідношенням Mmax ^ 1,2 MTOV. У цій статті астрофізики виконали такі обчислення, використовуючи так звані «універсальні співвідношення», які пов'язують параметри нейтронних зірок різної маси і не залежать від виду рівняння стану їхньої речовини. Автори підкреслюють, що їх обчислення використовують тільки прості припущення і не спираються на чисельне моделювання. Кінцевий результат для максимально можливої маси склав від 2,01 до 2,16 мас Сонця. Нижня межа для неї була отримана раніше в результаті спостережень за масивними пульсарами в подвійних системах - простіше кажучи, максимальна маса не може бути менше 2,01 мас Сонця, оскільки астрономи насправді спостерігали нейтронні зірки з такою великою масою.
Раніше ми писали про те, як астрофізики за допомогою комп'ютерних симуляцій отримали обмеження на масу і радіус нейтронних зірок, злиття яких призвело до подій GW170817 і GRB 170817A.