Астрономы обнаружили в центре остатка сверхновой под названием HESS J1731-347 очень необычную нейтронную звезду. Она находится на расстоянии в 8 тысяч световых лет от нас, имеет примерно 77% массы нашего Солнца, а диаметре не превышает 10 км. Таким образом это самая маленькая и самая легкая нейтронная звезда из когда-либо обнаруженных.

Все частицы, кроме электронов состоят из кварков. Это самые маленькие фундаментальные частицы, составляющие материю, которые образуют нейтроны и протоны. Эти частицы, а также электроны собираются в атомы, которые и являются строительными блоками всей материи.

Когда ядро огромной умирающей звезды начинает сжиматься под действием собственной гравитации (а это происходит непосредственно перед взрывом сверхновой) огромное давление сдавливает атомы так сильно, что протоны и электроны сливаются в нейтроны.

Эти нейтроны расположены очень близко к друг другу и получается очень плотный нейтронный объект. Но теоретически возможно, что даже после такого процесса ядро умирающей звезды продолжает дальше сжиматься. И в это время теоретически происходят очень странные процессы.

Нейтроны состоят из еще более мелких частиц, которые называются кварками, поэтому под огромным давлением нейтроны распадаются на эти кварки. Если такое теоретически возможно, что данные кварки не существуют слишком долго и все сжатое ядро звезды должно превратиться в черную дыру.

Но некоторые физики считают, что этого может и не произойти, и сжатое ядро звезды после взрыва сверхновой вместо того, чтобы превратиться или в нейтронную звезду, или в черную дыру, становится кварковой или странной звездой.

До сих пор ни одной кварковой звезды во Вселенной ученые не обнаружили, но есть несколько потенциальных кандидатов. Но с другой стороны ученые спорят о том, могут ли подобные звезды существовать слишком долго.

Теоретически, кварковая звезда должна быть намного плотнее обычной нейтронной звезды. То есть она может иметь ту же массу, но меньший диаметр. Именно поэтому нейтронная звезда, которая является очень легкой и очень маленькой, так заинтересовала ученых.

Итак, в направлении созвездия Скорпиона на расстоянии порядка 8150 световых лет от нас астрономы наблюдают объект, записанный как HESS J1731–347. Его внешний облик даёт понять, что в общем и целом это выглядит как результат взрыва сверхновой звезды.

Напомним, взрыв сверхновой – это на самом деле вспышка "старой", то есть завершение основного жизненного цикла какой-то довольно массивной звезды в несколько раз тяжелее нашего Солнца. В её ядре (а именно оно и является тем самым термоядерным реактором в любой звезде) уже "перегорел" весь водород, и больше ничто не удерживает это ядро от коллапса, сжатия под действием собственной гравитации. От этого сжатия внешняя оболочка звезды невероятно нагревается, расширяется и в конце концов просто сбрасывается в окружающий космос. В итоге остаётся огромное великолепное облако, а в центре – то самое схлопнувшееся ядро.

Наше Солнце столь эффектный финал не ожидает, потому что оно для этого слишком маломассивно, и всё-таки оно примерно через пять миллиардов лет тоже расширится и сбросит оболочку, просто это будет не так торжественно. Но схема, в принципе, одна и та же. И в зависимости от массы звезды "при жизни" – её бывшее ядро становится одним из трёх: если звезда была как Солнце – значит, белым карликом, если тяжелее – нейтронной звездой (пульсаром), ещё массивнее – чёрной дырой.

Между этими тремя объектами с точки зрения физики есть очень важная, принципиальная разница. Дело в том, что белый карлик – это всё-таки материя обыкновенная, привычная для нас, она состоит из атомов. А вот нейтронная звезда – это уже не атомы, а их более мелкие составные части, в основном нейтроны. А чёрная дыра – это уже та стадия существования материи, о которой мы пока практически ничего сказать не можем. Для нас с вами эта материя перестаёт существовать в каком-либо понятном виде. Что с ней происходит там, за горизонтом событий, – одна из величайших загадок науки.

"Внешнее" проявление этой разницы между ними – их габариты. Белый карлик (который из нормального атомарного вещества) имеет в диаметре примерно четыре тысячи километров (кстати, это чуть больше Луны), а массой может быть немногим больше половины Солнца. Нейтронная звезда – это уже масса в полтора, а то и в два Солнца, сжатая в диаметре не больше километров сорока. Отсюда и понятно, каким образом атомы "разбиваются" на нейтроны и протоны – от давления. А чёрная дыра (звёздной массы) в размерах и того меньше, зато внутри у неё как минимум три Солнца.

Так вот, оказывается, астрофизика уже давно обнаружила, что на самом деле границы между нейтронной звездой и чёрной дырой не совсем чёткие, что существуют некие переходные варианты. И существуют они потому, что нейтроны и протоны – это не самое элементарное на свете. Они состоят из кварков. В каждом протоне и в каждом нейтроне – по три кварка двух разновидностей: так называемые верхние (u-кварки) и нижние (d-кварки). Если два "верхних" плюс один "нижний" – получается протон, а сложим, наоборот, два "нижних" и один "верхний" – будет нейтрон. И учёные подозревают, что в некоторых нейтронных звёздах давление уже такое, что там даже нейтроны не выдерживают – распадаются на кварки. И в центре пульсара, таким образом, получается материя совершенно необыкновенная – кварковая. И тогда это уже кварковая звезда.

Но и это ещё не вся история, потому что кварков известно целых шесть видов. Другой вопрос, что только "верхний" и "нижний" устойчивые, а все остальные могут существовать очень недолго и только при каких-то особенных условиях. И такими особенными условиями являются экстремальное давление и экстремальная температура. Тогда "изначальные" u-кварки и d-кварки меняют свойства и превращаются в другие. И в том числе могут превратиться в такой кварк, который назвали "странным" за то, что он поразительно долго живёт.

S-кварк. S – значит strange. И если сердцевина пульсара состоит из этих живучих s-кварков, то такую материю называют "странной" и, соответственно, всю звезду тоже записывают в "странные".

А теперь вернёмся к подозрительному объекту в созвездии Скорпиона. У него масса меньше солнечной (а именно 0,77 Солнца), а диаметр – 20 километров 800 метров. И учёные уверяют, что это не подходит ни под характеристики белого карлика, ни под характеристики нейтронной звезды, и чёрной дырой это, конечно, тоже никак быть не может. А если предположить "странную" или вообще какую-либо кварковую звезду, то по логике она должна быть гораздо массивнее, то есть это должно быть нечто между сгустком нейтронов и уже полной "сингулярностью" – чёрной дырой. А этот объект даже до нейтронной по массе недотягивает: должно быть как минимум 1,17 Солнца.

Поэтому, видимо, единственное, что остаётся предложить в качестве объяснения, – что там внутри всё-таки действительно "странные", как бы видоизменённые кварки, а при том коллапсе, который их довёл до такого состояния, высвободилось столько энергии, что весьма большой "кусок" звезды просто "сдуло", выбросило. То есть по этому сценарию изначально это бывшее звёздное ядро было гораздо массивнее, но массу примерно в треть Солнца оно таким образом растеряло.

Центральные компактные объекты представляют собой изолированные нейтронные звезды, которые мало излучают в радиодиапазоне, не аккрециируют вещество на себя из окружающей среды и находятся в центрах остатков сверхновых, где их можно обнаружить по тепловому рентгеновскому излучению. Считается, что это излучение связано с процессом охлаждения молодых, слабо намагниченных нейтронных звезд и исходит из их атмосферы.

Нейтронные звезды такого типа интересны для астрофизиков как тела для проверки моделей состояния холодной плотной материи. Однако их трудно исследовать, что приводит к большим неопределенностям в оценках размеров области излучения и радиуса нейтронной звезды. В частности, если предположить наличие у звезды водородной атмосферы, то ее радиус будет аномально мал, тогда как атмосфера из более тяжелых элементов будет плохо согласовываться с данными наблюдений. Однако моделей с необычно малыми радиусами можно избежать, предположив, что излучение исходит от части поверхности нейтронной звезды или же звезда обладает однородно излучающей углеродной атмосферой.

Группа астрономов во главе с Виктором Дорошенко (Victor Doroshenko) из Тюбингенского университета в Германии опубликовала результаты анализа наблюдений за центральным компактным объектом в остатке галактической сверхновой HESS J1731-347 космического телескопа Gaia и рентгеновской обсерватории XMM-Newton.

Звезда находится на расстоянии 8153 световых лет от Солнца, а ее масса и радиус были оценены в 0,77 масс Солнца и 10,4 километров, соответственно, на основе подгонки модели звезды с излучающей атмосферой, преимущественно состоящей из углерода и однородной по температуре, к данным наблюдений.

Таким образом, объект в центре HESS J1731-347 стал самой легкой нейтронной звездой, известной на сегодняшний день, и потенциальным кандидатом в кварковую звезду, состоящую из кварковой материи. Однако ученые подчеркивают, что несмотря на то, что они считают полученные оценки массы и радиуса звезды надежными результатами, вопрос о том, можно ли считать эту нейтронную звезду странной звездой остается открытым.

Узнать массу нейтронной звезды довольно сложно. Для этого нужно либо чтобы у неё был компаньон – и тогда можно высчитать массу звезды через орбитальную динамику, или она должна быть пульсаром – и тогда можно делать выводы на основе радиосигналов. HESS J1731-347 не относится ни к тем, ни к другим. Зато её окружает туманность – остатки бывшей звезды, которую освещает обычная звезда, расстояние до которой мы очень хорошо знаем благодаря данным, полученным от проекта Гайя.

В результате на основе наблюдений в рентгеновском диапазоне астрономы вычислили массу нейтронной звезды – и она попадает в промежуток от 0,6 до 0,9 солнечных. Либо наше понимание о формировании нейтронных звёзд расходится с реальностью, либо – это редкий зверь типа «кварковая звезда», а точнее, её подвид – «странная звезда».

Кварковая звезда – гипотетический космический объект, состоящий из так называемой «кварковой материи». Предполагается, что когда вырожденный газ, из которого состоят нейтронные звёзды, оказывается под достаточным давлением из-за гравитации звезды или сверхновой, создающей её, отдельные нейтроны распадаются на кварки (u-кварки и d-кварки), из которых они состоят, образуя таким образом кварковую материю. Возможно, такая материя существует в ядрах нейтронных звёзд. Но также возможно, что вся звезда может состоять из кварковой материи.

Как показывает моделирование, в «кварковом газе», из которого, предположительно, состоит кварковая звезда, должно присутствовать большое количество s-кварков («странных»), поэтому иногда кварковые звёзды называют ещё и «странными» звёздами. А поскольку странные кварки в 20 раз массивнее верхних и нижних, получается, что плотность странной звезды будет гораздо больше, чем у нейтронной – и тогда она может удерживать себя за счёт гравитации, будучи менее массивной.

Ну или астрономы просто ошиблись при подсчёте массы звезды. Об этом упоминают и сами авторы работы, указывая, что для подтверждения результатов требуются дополнительные наблюдения. Странный результат не обязательно означает, что мы нашли странную звезду.

Астрофизики уверены в существовании нейтронных звезд. Это настолько плотные объекты размером в десятки километров, что сильно сблизившиеся в них атомы перестают существовать по отдельности и переходят в состояние сплошной нейтронной среды. Компактное светило надежно удерживают силы взаимного тяготения его частей, а сверху оно покрыто оболочкой из кристаллического железа.

Теория таких звезд разработана достаточно подробно. Например, расчеты показывают, что эти звезды не могут иметь массы, меньшие 1,17 солнечной. Однако теория не всегда соответствует наблюдениям. Поэтому физики придумали кварковые звезды, в которых нейтроны при высоких давлениях распадаются на u и d-кварки. Теоретики говорят, что часть из них может даже преобразовываться в s-кварк. Это сильно изменит свойства звезд, поэтому их называют странными.

Подходящие под описание объекты долго не находились. Однако в 2022 году астрофизики уточнили параметры нейтронной звезды HESS J1731-347. Это окруженный большим облаком пыли остаток от взрыва сверхновой. Его радиус чуть больше 5 км, а масса равна 0,77 массы Солнца. Данные наблюдений поставили ученых перед дилеммой: либо теория нейтронных звезд неверна, либо открыта первая кварковая звезда.

Три итальянских астронома из Национального института ядерной физики и Университета Феррары, руководимые профессором Джузеппе Паглиара (Giuseppe Pagliara), попытались разрешить эту загадку. Они предложили сценарий образования, объясняющий не только массу и радиус объекта HESS J1731-347, но и его медленное остывание после взрыва. Теория базируется на представлении о сжатии белых карликов, содержащих кварковое вещество в их центрах.

Авторы теории также показали, что к кварковым звездам могут принадлежать объекты с массой от 2,5 и больше солнечных масс. Например – рентгеновский пульсар SAX J1808.4-3658, быстро охлаждающийся, выбрасывающий вещество и меняющий свою яркость, который считают нейтронной звездой.

В заключение теоретики отмечают, что феноменология многостадийных сценариев образования нейтронных и кварковых звезд может быть очень разнообразной. Это означает, что гипотез на эту тему можно измыслить много.

Астрономы начали наблюдать за HESS J1731-347 после того, как они обнаружили, что данное скопление газа и пыли вырабатывает периодические рентгеновские импульсы, чья мощность необычно сильно колебалась. Это натолкнуло их на мысль, что внутри остатков сверхновой может скрываться молодая нейтронная звезда. Исследователи детально изучили все снимки HESS J1731-347, полученные при помощи орбитальных рентгеновских телескопов и нескольких наземных обсерваторий.

Анализ этих снимков указал на то, что внутри облака скрывается не один, а два объекта. Один из них является небольшой престарелой звездой, а второй – нейтронной звездой, чей радиус составляет 10,4 км. Ее масса при этом оказалась почти на четверть ниже солнечной, что на 60-70% ниже этого показателя для других нейтронных звезд. Подобные свойства HESS J1731-347, как отмечают ученые, делают этот объект первым в истории кандидатом на роль экзотической кварковой звезды или нейтронной звезды, чьи недра почти полностью состоят из тяжелых "странных" кварков.

Необычные свойства HESS J1731-347 превращают данную нейтронную звезду в полноценный инструмент для проверки теорий, описывающих структуру и свойства материи нейтронных звезд. Последующие наблюдения за этим светилом и расчеты, как надеются ученые, позволят астрофизикам-теоретикам и астрономам-практикам значительно продвинуться вперед в раскрытии тайн устройства самых плотных объектов видимой Вселенной.