Миллиарды тонн в чайной ложке: ученые нашли предел, превращающий плотную звезду в черную дыру

Нейтронная звезда — это объект весом с два Солнца, упакованный в сферу размером с небольшой мегаполис. Чайная ложка такого вещества весит миллиарды тонн. Фантастика? Нет, суровая физика. Однако ученые до сих пор спорят, где пролегает грань между гибелью звезды и ее превращением в черную дыру. Венгерские исследователи из Центра физических исследований имени Юджина Вигнера представили решение этой задачи.

Фото: https://commons.wikimedia.org by NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Чёрная дыра

Масса предела: черная дыра или нейтронная звезда?

Команда ученых опубликовала расчеты, указывающие на конкретный порог: от 2,2 до 2,3 массы Солнца. Свыше этого значения звезда неизбежно схлопывается в черную дыру. Вычисление опирается на уравнение состояния — теоретический свод правил, описывающий поведение сверхплотной материи. Поскольку пробы "звездного грунта" взять невозможно, физики полагаются на математические модели.

"Математическая модель — это лишь попытка описать экстремальные плотности, где привычные нам взаимодействия распадаются. Использование теории квантовой хромодинамики позволяет отсечь варианты, нарушающие закон сохранения скорости света", — разъяснил ученый-физик Дмитрий Лапшин.

Две правды о жесткости ядерной материи

Для своей работы авторы использовали два подхода. Модель SFHo описывает материю как "мягкую" и податливую. Модель DD2, наоборот, заточена под жесткий, почти несжимаемый материал. Чтобы исключить физические нелепицы, ученые вручную подкорректировали параметры, ориентируясь на пертурбативную квантовую хромодинамику. Финальную версию моделей проверили через данные телескопа NICER, который наблюдает за пульсарами, и сигналы гравитационных волн от слияния объектов GW170817.

Данные обеих моделей сошлись в узком диапазоне 2,2-2,3 массы Солнца. Средний радиус таких звезд составляет около 12 километров. Однако остаются аномалии вроде GW190814. Объект массой 2,59 Солнца не вписывается в модель DD2, так как плотная материя не может быть настолько пластичной. Скорее всего, перед нами черная дыра, а не нейтронная звезда.

"Наблюдения за такими странными объектами позволяют уточнить границы применимости уравнений Толмена — Оппенгеймера — Волкова. Мы видим, где именно заканчивается физика вещества и начинаются релятивистские эффекты черных дыр", — отметил ученый-физик Дмитрий Лапшин.

Ответы на популярные вопросы о нейтронных звездах

Что произойдет, если нейтронная звезда наберет больше 2,3 массы Солнца?

Силы гравитации преодолеют сопротивление ядерного вещества, и объект превратится в черную дыру.

Почему ученые не могут просто измерить плотность вещества в лаборатории?

Давление внутри такой звезды превышает любые возможности земных коллайдеров; мы можем изучать это только через расчеты.

Является ли радиус 12 км константой?

Это среднее значение, которое может меняться в зависимости от модели, но точность измерений постоянно растет благодаря гравитационным волнам.

Почему GW190814 считают черной дырой?

Ее масса слишком велика для стабильного существования в виде нейтронной звезды, материал которой разрушился бы при такой плотности.

"Классические уравнения позволяют нам строить теоретические модели, однако природа часто преподносит сюрпризы, не укладывающиеся в ранние представления 1939 года", — предположил ученый-физик Дмитрий Лапшин.

Читайте также

• Робот ушёл под лёд Антарктиды и не вернулся: перед пропажей он увидел то, что скрыто от спутников
• Человек, который сломал атмосферу: невероятная история Томаса Миджли и его фатальных открытий
• Копали дорогу — вскрыли город мёртвых: земля хранила это как проклятие 3000 лет
• Одна треть ангелов пала: пугающее пророчество, которое скрывается за узором на папском облачении