Вчені з США, Канади і Мексики чисельно змоделювали еволюцію нейтронної зірки з системи MXB 1659-29 і показали, що її незвично швидке охолодження можна пояснити за допомогою нейтрино, які народжуються в Урка-процесах і ефективно забирають теплову енергію. За розрахунками дослідників, подібні процеси повинні йти приблизно в одному відсотку від обсягу ядра зірки. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи можна знайти на сайті arXiv.org.
Нейтронна зірка утворюється в результаті спалаху наднової, в ході якої більша частина маси зірки-попередника викидається в зовнішній простір, а залишки стискаються під дією гравітації і формують надзвичайно щільний компактний об'єкт. Середня щільність нейтронної зірки в кілька разів перевищує щільність атомного ядра і досягає значень порядку 6 1014 грам на кубічний сантиметр. Крім того, при стисненні гравітаційна енергія переходить в теплову, і нейтронна зірка дуже сильно розігрівається, так що її температура перевищує 1011 градусів Кельвіна - це в 10 тисяч разів більше температури в центрі Сонця. За таких екстремальних умов речовина може поводитися зовсім не так, як у «звичайному житті», а тому вивчення нейтронних зірок дуже важливе для розуміння законів природи.
Правда, варто зауважити, що довго така висока температура всередині зірки не тримається. Практично відразу збуджені нейтрони починають розпадатися на протони, електрони та електронні антинейтрино + ́ + * (реакції такого типу називають прямим бета-розпадом), а протони перетворюються назад на нейтрони в ході реакцій виду + + (зворотний бета-розпад). Нейтрино, що утворюються в результаті таких реакцій, легко проходять крізь речовину зірки і забирають енергію, і в результаті зірка швидко охолоджується. Всього за кілька хвилин її температура зменшується більш ніж у сто разів і досягає 109 кельвінів. За словами бразильського фізика Маріо Шенберга, завдяки цим реакціям «енергія зникає з ядра наднової так само стрімко, як зникають гроші при грі в рулетку». Тому нейтринне охолодження нейтронної зірки часто називають «прямим Урка-процесом» (direct Urca process), на ім'я казино «Урка» в Ріо-да-Жанейро, в якому Георгій Гамов і Шенберг обговорювали цей ефект.
На жаль, при менших температурах (тобто при менших енергіях нейтронів і протонів) прямий Урка-процес перестає працювати, оскільки в ньому перестають одночасно виконуватися закони збереження енергії та імпульсу. Обчислення показують, що прямий Урка-процес йде тільки в тому випадку, якщо відносна концентрація протонів у зірці перевищує критичне значення порядку p ауд 0,11 - 0,15.
У той же час, для типової щільності і температури нейтронної зірки концентрація протонів оцінюється числом p ауд 0,04. Тому на зміну прямому процесу приходить так званий «модифікований Урка-процес», в ході якого зірка втрачає енергію в мільйон разів повільніше, і на перший план виходить охолодження в результаті випромінювання фотонів. Правда, при великих щільностях речовини всередині зірки енергетичний баланс між протонами і нейтронами може зміститися, і разом з ним зміниться концентрація p - отже, прямий Урка-процес знову почне грати роль в охолодженні зірки. Дійсно, результати спостережень за еволюцією деяких одиночних нейтронних зірок можуть вказувати на їх аномально швидке охолодження, пов'язане з випромінюванням нейтрино, проте надійно підтвердити його поки не вдалося.
У новій роботі група дослідників під керівництвом Едварда Брауна (Edward Brown) знайшла новий спосіб підтвердити, що за певних умов у нейтронних зірках йде Урка-процес. Для цього вони спостерігали за подвійною системою MXB 1659-29, до складу якої входить нейтронна зірка, що поступово перетягує на себе речовину зірки-компаньйона. Приблизно раз на 20 років нейтронна зірка починає випускати сильне випромінювання в рентгенівському діапазоні - наприклад, подібні події відбувалися в 1980, 1999 і 2015 році, причому спалах (outburst), що закінчився в 2001 році, тривав близько двох з половиною років. Більш того, в періоди між спалахами спостерігається температура поверхні зірки знижувалася, тобто зірка досить швидко охолоджувалася.
Щоб підтвердити, що охолодження, що послідувало за спалахом 2001 року, було пов'язане з Урка-процесом, вчені чисельно досліджували еволюцію зірки за допомогою алгоритму Монте-Карло з використанням марківських ланцюгів (Markov chain Monte Carlo algorithm). Простіше кажучи, фізики чисельно розрахували залежність інтенсивності рентгенівського випромінювання і температури зірки від часу для різних теоретичних моделей і початкових умов, а потім порівняли їх з експериментальними даними і підібрали варіант, для якого схожість була максимальною. У результаті виявилося, що спостережуване охолодження нейтронної зірки можна пояснити, якщо припустити, що приблизно в одному відсотку обсягу ядра дійсно йде Урка-процес, і нейтрино ефективно забирають енергію. Звичайно, зареєстровану швидкість охолодження можна пояснити й іншими процесами, наприклад, реакціями в присутності піонного конденсату, проте в них повинен бути залучений більший обсяг ядра - отже, нейтронна зірка з системи MXB 1659-29 повинна бути значно більш масивною, ніж всі відомі нейтронні зірки. Тому автори статті виключають таку можливість.
Нарешті, на підставі розрахунків вчені оцінили критичну температуру переходу речовини ядра в надплинний стан, яка склала приблизно c ауд 107 кельвінів і виявилася порівнянна з температурою ядра 2,5 5,5 107 кельвінів. Чим більше температура в порівнянні з c, тим більший обсяг речовини зірки залучений в Урка-процес, і тим швидше йде її охолодження. Також дослідники розрахували питому тепломісткість речовини зірки, яка залежно від розглянутого сценарію коливалася від 1037 до 1038 ерг на кельвін.
У грудні минулого року астрофізики з Німеччини і США за допомогою чисельного моделювання показали, що утворення мюонів під час формування нейтронної зірки має призводити до збільшення потоку нейтрино, що випускаються зіркою, а також прискорювати її стиснення. А в січні цього року американські фізики помітили, що розігрівати нейтронні зірки також може темна матерія, яка падає на них.