Зеркальные нейтроны снизили предел массы нейтронных звезд

Физики теоретически оценили последствия от самопроизвольного перехода материи нейтронных звезд в зеркальное вещество — то есть от превращения нейтронов в гипотетические частицы-партнеры, которые отвечают за симметрию зеркального отражения. Оказалось, что при этом снижается верхний предел массы, при которой звезда остается стабильной, и уменьшается радиус небесного тела — это позволяет ограничивать свойства гипотетической материи с помощью астрофизических наблюдений. Препринт работы доступен на arXiv.org.

Сегодня принято считать, что пространство однородно и изотропно — то есть во Вселенной отсутствуют выделенные точки и направления, и поведение физических систем не изменяется при переносах и поворотах. Третий вид пространственной симметрии — зеркального отражения — также сохраняется в сильном, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Тем не менее эксперименты показывают, что зеркальная симметрия нарушается в процессах слабого взаимодействия. Иными словами, если зеркально переставить все частицы в слабовзаимодействующей системе, то результаты опыта будут отличаться от тех, которые получились бы при наблюдении за первоначальной системой через зеркало.

Решить эту проблему и сохранить симметрию зеркального отражения можно, предположив существование зеркального вещества — гипотетических частиц-партнеров, которые повторяют свойства обычных частиц, но ведут себя зеркально наоборот. При этом зеркальная материя не тождественна антиматерии, поскольку в опытах обнаружено нарушение комбинированной четности — то есть одновременная замена частиц на античастицы при зеркальном отражении все равно не делает физическую систему инвариантной относительно такого преобразования.

На сегодняшний день зеркальное вещество не удалось надежно обнаружить в эксперименте, однако его существование и не исключено. Такие препятствия, как низкая вероятность превращения обычной частицы в зеркальную в условиях лаборатории, могут делать наземные опыты практически нечувствительными к прямому детектированию зеркальной материи. В этом случае удобно искать косвенные признаки существования зеркального вещества — например, привлекать для исследования данные астрофизических наблюдений.

Физики из Италии под руководством Зураба Берижиани (Zurab Berezhiani) из Университета Аквилы спрогнозировали влияние зеркального вещества на наблюдаемые свойства нейтронных звезд. Для этого ученые рассмотрели сценарий, при котором в недрах космического тела протекают осцилляции между нейтронами и их зеркальными партнерами — то есть обычные нейтроны (из которых первоначально состоит основная часть звезды) спонтанно превращаются в зеркальные, а зеркальные — снова в обычные.

Поскольку нейтроны (обычные и зеркальные) являются ферми-частицами, на оба этих превращения влияет принцип Паули, который запрещает двум одинаковым частицам одновременно пребывать в одном и том же квантовом состоянии. Первоначально в звезде много обычных нейтронов и очень мало зеркальных, а значит почти все зеркальные состояния свободны, и зеркальному нейтрону родиться сравнительно легко — ему доступно практически любое состояние.

В то же время обратный процесс подавлен, поскольку обычных нейтронов много и все квантовые состояния с энергиями ниже уровня Ферми уже заняты частицами — родиться может только нейтрон с большим импульсом (порядка сотен мегаэлектронвольт), который нужно каким-то образом накопить. Со временем число зеркальных нейтронов в звезде нарастает, и темпы производства зеркальной материи уменьшаются — теперь зеркальные низкоэнергетические уровни также заняты, и могут рождаться только частицы с существенными импульсами.

По истечении длительного времени, которое определяется характерным периодом осцилляций для свободного нейтрона, количества обычных и зеркальных нейтронов почти перестают изменяться — нейтронная звезда переходит в состояние со стабильным соотношением между обычным и зеркальным веществом. При этом в ходе всего превращения обе компоненты материи в недрах небесного тела распределяются так, чтобы давление вырожденного нейтронного газа сдерживало гравитационное сжатие (в этом случае нейтронная звезда остается устойчивой и не коллапсирует под действием собственной гравитации). Последнее оказывается невозможным при превышении критической плотности в центре звезды, или соответствующем ему превышении критической массы — то есть масса нейтронной звезды (как обычной, так и смешанной по составу) должна имеет верхний предел.

Точное значение этого предела и конкретные распределения плотностей двух типов вещества зависят от уравнения состояния, которое связывает плотность нейтронов с давлением вырожденного газа. Для нейтронных звезд такое уравнение сегодня точно не установлено — имеется ряд теоретических предложений, каждое из которых дает свой прогноз верхнего предела массы и центральной плотности. Авторы использовали несколько из таких уравнений, а также экспериментальные данные о массах нейтронных звезд, чтобы, с одной стороны, оценить влияние зеркальной компоненты вещества на характеристики звезды, а с другой — ограничить свойства зеркальных нейтронов исходя из наблюдений.

В результате физики установили, что, независимо от рассматриваемого уравнения состояния, в результате нейтронных осцилляций звезда сжимается в размерах и уплотняется — если принять равными финальные доли обычного и зеркального вещества, то итоговый профиль плотности каждой отдельной компоненты вещества будет совпадать с исходным профилем плотности всей звезды, сжатым по радиусу в корень из двух раз (то есть примерно на 30 процентов). Полная же масса тела при этом меняется лишь на проценты — в основном за счет изменения гравитационной энергии связи.

Таким образом, указанием на существование зеркальной материи могут послужить нейтронные звезды схожих масс, но существенно различных радиусов — подобное наблюдение можно будет объяснить разными примесями зеркального вещества в составе небесных тел. Другое важное последствие осцилляций — снижение предельной массы (также на 30 процентов при равенстве компонент вещества), при которой звезда сдерживает собственное гравитационное сжатие. Это может приводить к тому, что осцилляции нейтронов дестабилизируют тяжелую звезду — при накоплении достаточного количества зеркальной материи звезда существенно уплотнится, и произойдет коллапс, который также можно отследить в наблюдениях (как непосредственно, так и по отсутствию нейтронных звезд тяжелее определенной массы).

Исследователи также отмечают, что результаты анализа можно применить и в обратном направлении: знание свойств зеркальной материи позволяет судить об уравнении состояния для нейтронных звезд. Так, если объяснять зеркальными частицами наблюдаемое расхождение между оценками временем жизни нейтрона в двух типах экспериментов (со статистической значимостью 4σ), то превращение обычной нейтронной звезды в смешанную займет порядка 100 тысяч лет. Это существенно меньше характерного возраста известных пульсаров, а значит в таком предположении все наблюдаемые нейтронные звезды уже содержат установившуюся долю зеркальной материи. Тогда теоретические расчеты должны давать предельную массу таких объектов не менее 2,7 солнечных (наибольшая из современных экспериментальных оценок) — это требование позволяет надежно исключить некоторые из уравнений состояния.

Ранее мы рассказывали о том, как физики ограничили с помощью нейтронных звезд свойства других гипотетических частиц — аксионов, и описали механизм, благодаря которому масса белых карликов может превосходить теоретический предел Чандрасекара.

Николай Мартыненко