Название:Экстремально сжатая материя в нейтронных звездах
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды
Ключевые слова:нейтронные звезды, строение, эволюция, равновесное и неравновесное сверхплотное вещество, микрофизика, моделирование наблюдательных проявлений, интерпретация наблюдений
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Яковлев,ДГ
Подразделения:
Код проекта:19-12-00133
Проект направлен на изучение фундаментальных свойств экстремально сжатого вещества путем теоретического моделирования нейтронных звезд и интерпретации их наблюдений. Нейтронные звезды уникальны тем, что максимально компактны и содержат сверхплотную вырожденную ядерную материю, свойства которой во многом не ясны. Плотность материи в центральных областях нейтронных звёзд может быть в несколько раз выше плотности материи в атомных ядрах. Такая материя не встречается в других звездах; её нельзя систематически исследовать в земных лабораториях или изучать чисто теоретически. Необычны нейтронные звезды и тем, что помимо уникальных свойств на микроуровне, в них крайне важны эффекты общей теории относительности, в том числе, связанные с излучением гравитационных волн. Итак, исследование свойств вещества нейтронных звёзд – фундаментальная проблема астрофизики, ядерной физики, физики элементарных частиц и всех известных взаимодействий. Сверхплотное вещество может быть сверхтекучим и сверхпроводящим; оно может содержать экзотические частицы и быть погружено в сверхсильные магнитные поля. Его можно систематически исследовать лишь методами астрофизики нейтронных звёзд. Более того, нейтронные звезды обладают широчайшим спектром астрофизических проявлений, которые интересны не только для фундаментальной физики, но могут использоваться и для решения практических задач (космическая навигация, зондирование распределения плотности в Галактике и многое другое). Последние два десятилетия ознаменованы бурным прогрессом в наблюдениях нейтронных звёзд. Новая эра в изучении нейтронных звезд началась в 2107 году с обнаружением обсерваторией LIGO гравитационных волн от слияния двух нейтронных звёзд. Гравитационно-волновые исследования нейтронных звёзд только начинаются и могут сильно ускорить решение проблемы сверхплотного вещества. Целью проекта является описание нейтронных звезд на качественно новом уровне, отвечающем современному состоянию наблюдений и теории. Если раньше обычно считалось, что вещество нейтронных звезд находится в состоянии равновесия, то теперь становится актуальным изучение свойств сверхплотного вещества в неравновесных условиях. Задачи проекта включают, во-первых, теоретическое исследование различных микрофизических моделей сверхплотного вещества и, во-вторых, выполнение на этой основе моделирования разных процессов в нейтронных звёздах, сравнение теории с наблюдениями и отбор наиболее подходящих микрофизических моделей. В частности, будут изучаться термодинамические и кинетические свойства горячего неравновесного сверхплотного вещества, характерного для сливающихся нейтронных звезд. Планируется существенно уточнить описание протекания ядерных реакций в оболочках нейтронных звёзд. Будут детально изучены механизмы ротохимического подогрева старых нейтронных звезд. Исходя их первых принципов, буду изучены квантовые эффекты в движении атомных ядер в коре нейтронной звезды. Планируется построить единое описание всех слоев звезды, включая мантию – экзотический слой на границе коры и ядра, на основе новейших функционалов плотности ядерной энергии (функционалов «Брюссель-Скирм»). Обновленная микрофизика будет использоваться для моделирования различных процессов, протекающих в нейтронных звездах. Результаты моделирования будут сравниваться с данными наблюдений нейтронных звёзд на лучших наземных и космических телескопах. Будут использованы как уже имеющиеся данные наблюдений, так и те, которые станут доступны во время работы над проектом. Решение задач проекта обеспечит комплексный подход к изучению нейтронных звёзд, что будет способствовать получению надежной информации о природе сверхплотной материи, параметрах нейтронных звёзд, и о различных процессах в них для нужд фундаментальной науки и задач практической астрофизики. Ожидаемые результаты В рамках проекта будут выполнены расчёты микрофизических свойств вещества нейтронных звезд. С новой микрофизикой будет проведено моделирование разных процессов, которые могут протекать в нейтронных звёздах и проявляться в наблюдениях. Результаты моделирования будут использованы для интерпретации наблюдений, что и позволит получить надёжную информацию о фундаментальных свойствах сверхплотного вещества в нейтронных звёздах. Микрофизика сверхплотного вещества будет рассмотрена во всех слоях нейтронных звезд Расчеты высокого уровня (с последовательным учетом квантовых эффектов) свойств сильнонеидеальной кулоновской плазмы атомных ядер (как жидкости, так и кристалла) в коре нейтронной звезды позволят в первую очередь определить термодинамические функции плазмы (например, энергию и теплоёмкость), необходимые для моделирования процессов распространения тепла в звезде. Вещество мантии нейтронной звезды будет исследовано на основе теории функционала плотности ядерной материи. Эта же теория будет использована для расчета свойств вещества вне мантии. Рассчитанные термодинамические и кинетические свойства вещества позволят получить самосогласованное описание коры, мантии и ядра звезды. Исследование кинетических коэффициентов в ядрах обычных нейтронных звезд при последовательном учете влияния магнитного поля на экранирование электромагнитного взаимодействия заряженных частиц поможет правильному моделированию процессов переноса тепла, эволюции магнитных полей и дифференциального вращения в нейтронных звездах. Систематическое изучение основных транспортных свойств и нейтринных процессов в горячих и неравновесных ядрах сливающихся нейтронных звезд позволит выявить отличия микрофизики такого вещества от микрофизики вещества в обычных нейтронных звездах. Это даст возможность провести подробный анализ наблюдательных проявлений сливающихся нейтронных звезд, что необходимо для интерпретации наблюдений гравитационных обсерваторий. Моделирование процессов в нейтронных звёздах и интерпретация наблюдений Использование численных программ высокого уровня позволит выполнить численное моделирования тепловой эволюции изолированных нейтронных звёзд с новой разнообразной микрофизикой вещества. Будут построены новые упрощенные феноменологические модели тепловой эволюции, достаточно точно воспроизводящие результаты численных программ и применимые для широкого набора обновленных микрофизических моделей вещества. Результаты будут использованы для интерпретации наблюдательных данных о тепловой эволюции нейтронных звезд разных типов, а феноменологические модели помогут сильно ускорить и упростить процедуру интерпретации. Моделирование эволюции транзиентно аккрецирующих нейтронных звезд для различных уравнений состояния вещества звезды и структуры ее коры позволят детально изучить замену исходной неаккрецированной коры переработанным аккрецированным веществом в процессе эволюции. Моделирование долго- и кратковременной тепловой эволюции аккрецирующих нейтронных звезд поможет сделать интерпретацию наблюдений более надёжной. Развитие теории ротохимического подогрева коры и ядра неаккрецирующих нейтронных звезд поможет понять роль этого подогрева в нейтронных звёздах различных типов и может заметно упростить интерпретацию наблюдений ряда звезд (в том числе, наблюдений пульсара J0437-4715 рентгеновским телескопом NICER на борту МКС). Существенное уточнение описания ядерных реакций в оболочках нейтронных звёзд может оказать заметное влияние на модели неравновесного вещества в оболочках нейтронных звезд и на сценарии глубокого прогрева вещества в коре аккрецирующей нейтронной звезды. Результаты нужны также для моделирования рентгеновских вспышек в оболочках звезд и сопутствующего нуклеосинтеза. Будет выполнена обработка и интерпретация наблюдений нейтронных звезд, как необходимый этап получения новой информации о параметрах нейтронных звёзд и их внутреннем строении. Ожидается, что уровень выполнения проекта будет соответствовать мировому.