Нейтронные звезды – сверхплотные звезды, образующиеся в результате взрыва cверхновых. Как правило, их диаметр сравним с размером больших городов (20-30км). Несмотря на столь малые для звезды габариты, они имеют огромную массу – это объясняется сильнейшим сжатием вещества. В процессе гравитационного коллапса протоны и электроны звездной материи сливаются в нейтроны, которые не имеют электрического заряда. Равновесие по отношению к бета-распадам между нейтронами, протонами и электронами приводит к тому, что нейтроны доминируют в сверхплотной материи. 

Наш соотечественник, иностранный член Национальной академии наук Армении, физик-теоретик Армен Седракян из Франкфуртского Института перспективных исследований (Frankfurt Institute for Advanced Studies, FIAS) занимается исследованием свойств нейтронных звезд еще с 1990-ых годов. Поначалу он занимался вопросами нестационарной динамики, к примеру, исследовал причины отклонений при вращении нейтронных звезд.  Но обнаружение в 2010 году и позже нейтронных звезд с «невозможнo» большими массами, а также открытие гравитационных волн в 2015 году привели его к поиску ответа на вопрос: как и из чего все устроено внутри этих удивительных объектов столь малой величины и огромной массы?

Сегодня Армен Седракян помимо своей работы в Германии руководит группой ученых в Бюраканской обсерватории, в составе которой Мехак Айрапетян (Ереванский государственный университет), молодые ученые Арус Арутюнян и Даниел Багдасарян, профессор Левон Погосян из Канады и Генрих Нерсисян из Германии.

Спектр исследований группы достаточно широк: компактные звезды и физика плотной материи, гравитационная физика, физика астрочастиц и релятивистская гидродинамика. Левон Погосян и Генрих Нерсисян, которые присоединились к группе недавно, занимаются вопросами космологии.

Как рассказал Армен Седракян, обнаруженные до 2010 года нейтронные звезды имели массу примерно 1.4 массы Солнца. Теории, которые описывали эти звезды, использовали понятие максимальной массы, которая была в пределах 1.6-1.8 массы Солнца. В 2010 году астрономы обнаружили нейтронную звезду массой около 2 солнечных, которая не вписывалась в существующие теории. И 80% теоретических моделей оказались выкинуты на свалку.

Экспериментальное обнаружение гравитационных волн, излучаемых системами двойных черных дыр и нейтронных звезд, дало новые возможности для понимания структуры нейтронных звезд.

Как рассказал ученый, двойные системы массивных объектов, например нейтронных звезд или черных дыр, постоянно излучают гравитационные волны. Излучение постепенно сокращает их орбиты и в конечном счете приводит к их слиянию, порождающему в этот момент особенно мощную гравитационную волну.

Впервые такая волна была зафиксирована коллаборацией LIGO и VIRGO в 2015 году при слиянии двух черных дыр, и за это трое ведущих ученных этой коллаборации получили Нобелевскую премию. Новое фундаментальное открытие было зафиксировано в 2017 году при слиянии двух нейтронных звезд. При этом помимо гравитационного детектора одновременно и оптические, и рентгеновские и радиотелескопы зафиксировали это явление.

«Гравитационные волны дают нам возможность определить, в каких пределах находятся масса и радиус нейтронной звезды, а это дает нам информацию о том, какой тип материи, или точнее, какая фаза материи, какой плотности существует в этих звездах, каково внутреннее давление и. т. д.», - сказал Армен Седракян.

По его словам, многие модели ядерной физики популярные до 2010 г., не описывали звезд с массой около или более двух солнечных. «Обычно рассматриваются ядра звезд из нуклонов (протон + нейтрон), но они могут состоять и из более тяжелых частиц - гиперонов. Об этом в свое время уже писали Виктор Амбарцумян и Гурген Саакян. Мы развили модели ядерной материи, в которых могут существовать гиперонные звезды, и они достаточно тяжелые, т.е., согласуются с наблюдениями», - рассказал ученый. 

В 2019 году американцы запустили миссию под названием NICER (The Neutron Star Interior Composition Explorer Mission). На Международную космическую станцию была доставлена обсерватория, которая фиксирует рентгеновское излучение близких нейтронных звезд. Данные, полученные от этой обсерватории, исследуют две группы астрономов в Мэриленде и в Амстердаме. «Делается очень сложный расчет, надо учитывать релятивистские эффекты, что фотоны отклоняются в сильных гравитационных полях, пробовать разные конфигурации теплых пятен, излучающих в рентгене, так что задача нетривиальная и расчеты проводятся на суперкомпьютерах. В итоге мы впервые имеем результаты, определяющие одновременно массу и радиус одного и того же объекта.  Один из таких изученных объектов - пульсар под названием J0740 - самый тяжелый объект из известных на данный момент с массой 2.1 солнечных масс», - отметил Армен Седракян, добавив, что данные миссии NICER дают радиусы нейтронных звезд 13,5км +/-1 км  с точностью до 10%  и слабо зависят от их массы.

«Малый радиус и масса от одной до более двух Солнц приводит к тому что нейтронные звезды, и,  в частности, пульсары  - самые плотные объекты во  Вселенной. Это, примерно, как Солнце сжать до размеров города Еревана. Их плотность примерно в десять раз превышает плотность ядер в атоме. Такого вещества более нигде нет в природе.

Когда в ускорителе Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН сталкивают ядра, то на очень короткий промежуток времени, примерно на 10-23 сек возникает очень горячее вещество с такой плотностью. То есть, мы можем с помощью нейтронных звезд исследовать физику этого сверхплотного вещества», - пояснил он.

При этом ученый отметил, что нейтронные звезды, в отличие от вещества, получаемого в ускорителе, очень стабильны, и живут миллионы лет. «Только в нашей Галактике мы знаем порядка 2000 таких объектов, которые обнаружены благодаря радиоизлучению, или рентгеновскому, иногда и оптическому излучению. Сейчас в Южной Африке строится обсерватория Square Kilometre Array – это сеть маленьких радиотелескопов на площади 1 кв. километр, которые все будут «смотреть» в одном направлении. Предполагается, что благодаря этой обсерватотии будет найдено еще несколько тысяч нейтронных звезд», - рассказал ученый.

А имеют ли эти исследования перспективы прикладного применения в ближайшем будущем? Ответ на этот вопрос, как пояснил ученый, стандартный: «Когда Резерфорд в 1909-1911гг обнаружил существование ядра в атоме, никто и предположить не мог, что спустя 30 лет будет создана атомная бомба, которая уничтожит целый город, остановит мировую войну и изменит всю послевоенную мировую политику. В этом особенность фундаментальной науки. Ею надо заниматься, не рассчитывая на ближайший эффект, но именно она в определенный момент дает прорыв».

По мнению ученого, роль науки значительно шире, чем просто разработка новых технологий. Во-первых, она имеет большое образовательное, просветительское значение. Во-вторых, ученые с международным признанием повышают узнаваемость и имидж своей страны на международной арене. «В моей сфере армянские ученые работают на передовых рубежах. Я горд тем, что, например, Арус Арутюнян, которая закончила аспирантуру у меня во Франкфурте и работает сейчас в Бюраканской обсерватории, уже хорошо знают и принимают в европейских научных кругах», - отметил он.

Анаит Саркисян