Исследователи нашли способ «услышать» внутреннее строение нейтронных звезд через гравитационные волны
Нейтронные звезды представляют собой одни из самых экстремальных объектов во Вселенной: их плотность в несколько раз превышает плотность атомных ядер, а гравитационные поля уступают по силе лишь полям черных дыр. Несмотря на то, что первые наблюдения этих объектов были проведены еще в 1960-х годах, их внутренний состав до сих пор остается загадкой для ученых. В поисках ответов исследователи все чаще обращаются к гравитационным волнам, излучаемым при слиянии двойных систем нейтронных звезд, что может стать ключом к пониманию устройства их недр.
Группа физиков из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Университета штата Монтана и индийского Института фундаментальных исследований Тата совершила важный теоретический прорыв. Ученым удалось доказать, что зависящая от времени приливная реакция нейтронных звезд в двойной системе может быть полностью описана через их колебательное поведение, или моды. Этот результат, опубликованный 18 февраля 2026 года в журнале Physical Review Letters, распространяет известный в ньютоновской гравитации принцип на условия общей теории относительности и открывает путь к изучению внутренней структуры нейтронных звезд и экстремальных состояний материи с помощью гравитационно-волновой астрономии.
Нейтронные звезды состоят не только из нейтронов. Ведущие теории предполагают, что в их состав входят тяжелые элементы, свободные электроны и протоны, а в более глубоких слоях могут существовать квантовые сверхтекучие и сверхпроводящие фазы. Однако проверить эти гипотезы крайне сложно. Ученые полагают, что нейтронные звезды являются частным случаем кварк-глюонной плазмы — состояния материи, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва. Если на Земле изучение такой плазмы возможно лишь при экстремально высоких температурах в коллайдерах, то нейтронные звезды предоставляют уникальную возможность исследовать ее при высоких плотностях, но относительно низких температурах.
Когда две нейтронные звезды образуют двойную систему, они начинают спирально сближаться, теряя энергию на излучение гравитационных волн. В процессе сближения приливные силы, возникающие при взаимодействии звезд, деформируют их и возбуждают внутри колебательные моды, подобно тому, как удар молотка заставляет звенеть колокол. Эти колебания оставляют характерные отпечатки в гравитационных волнах, достигающих Земли. Анализируя эти сигналы, ученые надеются определить частоты мод и время их затухания, что позволит сделать выводы о составе нейтронных звезд в условиях, недоступных для земных лабораторий.
Ключевая сложность заключалась в том, чтобы описать динамическую приливную реакцию звезд в рамках общей теории относительности. В ньютоновской физике решение выражается через набор мод, ведущих себя как затухающие гармонические осцилляторы, и является полным. Однако для релятивистских объектов, движущихся с огромными скоростями и сильно искривляющих пространство-время, существование такого полного набора мод было под вопросом. Проблема усугублялась наличием двух взаимодействующих тел, влиянием собственной гравитации звезды на уравнения внутри и снаружи нее, а также потерей энергии на гравитационное излучение.
Чтобы преодолеть эти трудности, команда исследователей применила метод сращиваемых асимптотических разложений, разделив пространство вокруг одной из звезд на зоны сильной и слабой гравитации. Тщательно сшивая решения для этих зон и исключая из рассмотрения область, ответственную за гравитационное излучение, ученые смогли корректно применить граничные условия и получить полный набор мод. Они также разработали метод описания приливного поля внутри звезды, показав, что при достаточно плавном изменении этого поля уравнения Эйнштейна-Эйлера дают решения в виде гармонических осцилляторов, аналогично ньютоновскому случаю.
Таким образом, исследователям удалось доказать, что даже в условиях общей теории относительности моды нейтронных звезд образуют полный набор, а приливное поле внутри звезды может быть найдено при помощи тех же математических подходов, что и в ньютоновской физике. Это открывает возможности для более точного моделирования.
В ближайшей перспективе ученые планируют расширить свою модель на вращающиеся нейтронные звезды, учесть нелинейные эффекты приливных сил и влияние магнитных полей. Однако для проверки новых теоретических выкладок потребуются более чувствительные детекторы гравитационных волн нового поколения и удачные наблюдения слияний звезд. Современные детекторы, такие как LIGO, пока не обладают достаточной чувствительностью в нужном диапазоне частот, чтобы зафиксировать тонкие особенности, предсказанные новой моделью. Тем не менее, как отмечают сами авторы, самая сложная часть работы — учет гравитационных эффектов — уже позади, и теперь предстоит применить разработанную теоретическую базу к более реалистичным конфигурациям звезд.