Масса пульсара PSR J0740+6620 оказалась рекордной для известных нейтронных звезд: 2,17 масс Солнца. Значение соответствует верхним пределам теоретических оценок и поможет определить пока что неизвестное уравнение состояния вещества при сверхъядерной плотности в недрах нейтронных звезд, пишут авторы в препринте на arXiv.org. 

Нейтронные звезды — это один из возможных конечных этапов эволюции обычных светил. Они обладают исключительно высокой плотностью, которая даже превышает ядерную. В атомных ядрах плотность может достигать 3×1017 килограммов на метр кубический, а в центре нейтронных звезд, по различным оценкам, может быть в несколько раз больше.

Основной проблемой на современном этапе исследований этих экстремальных объектов является неизвестное уравнение состояния материи в их недрах, то есть зависимость давления от плотности. Существует большое разнообразие моделей, которые предполагают различное внутреннее строение, размер и другие свойства нейтронных звезд.

Протестировать различные модели строения можно при помощи изучения миллисекундных пульсаров — быстровращающихся нейтронных звезд, яркое радиоизлучение с полюсов которых при каждом обороте фиксируется на Земле. Многие параметры таких объектов и явления в их окрестностях можно определить методом пульсарного тайминга, то есть посредством длительных наблюдений принимаемых сигналов.

В работе под руководством Ханны Кромарти (Hanna Thankful Cromartie) из Виргинского университета описывается определение массы пульсара PSR J0740+6620 в двойной системе с белым карликом. Оценка стала возможной благодаря наблюдению эффекта Шапиро — замедлению распространения света при прохождении вблизи массивного тела. Этот феномен является одним из стандартных проявлений общей теории относительности Альберта Эйнштейна и измерен во многих ситуациях, в том числе и для планет Солнечной системы.

В данном случае подходящие условия возникают при движении пульсара позади компаньона при орбитальном соединении, то есть попадании обоих тел на луч зрения. Измерение задержки по времени прихода сигналов пульсара и знание параметров обращения тел в системе позволяют с высокой точностью вычислить массу пульсара, которая оказалась равна 2,17 солнечных.

Объект стал самой массивной нейтронной звездой из известных на данный момент; звезд этого класса тяжелее двух Солнц в принципе известно достаточно мало. Открытие позволяет установить новые ограничения на возможные уравнения состояния вещества в недрах нейтронных звезд и указывает на справедливость более жестких уравнений, в которых давление в зависимости от массы растет быстрее. Физически это соответствует появлению отталкивания между частицами при меньших плотностях.

Самой точной теоретической оценкой верхнего предела считается значение 2,16 масс Солнца, она получена с использованием информации об излученных гравитационных волнах в единственном известном на данный момент слиянии нейтронных звезд. Тем не менее, в пределах ошибок эти величины согласуются.

Нейтронные звезды имеют непосредственное отношение к химической эволюции Вселенной, ведь именно в их слияниях образуются самые тяжелые элементы. Поэтому изучение этих объектов важно не только в контексте релятивистской астрофизики и физики высоких энергий, но и для других областей науки.