Цель проекта – исследование свойств сверхплотного вещества; разработка теоретических моделей, описывающих крупномасштабную динамику нейтронных звезд для адекватной интерпретации наблюдательных данных.

Рожденные в экстремальных условиях при взрывах сверхновых, нейтронные звезды (НЗ) являются одними из самых плотных объектов во Вселенной. НЗ обладают гигантскими гравитационными и магнитными полями. Вырожденное вещество во внутренних слоях НЗ имеет плотность, превосходящую плотность ядерной материи и недостижимую для исследования в земных лабораториях. Свойства такого вещества можно исследовать, сравнивая наблюдения НЗ с предсказаниями теоретических моделей.

Наблюдательные проявления НЗ чрезвычайно разнообразны, а электромагнитное излучение от них фиксируется в широчайшем диапазоне длин волн. Недавнее детектирование гравитационных волн от сливающихся НЗ (событие GW170817) открыло новую эру в исследовании НЗ с использованием методов гравитационно-волновой астрономии.

Наблюдения НЗ занимают весьма важное место в современной астрофизике. Это подтверждается, в частности, недавним введением в строй новых обсерваторий (NICER, Спектр РГ), одной из базовых задач которых является изучение НЗ, а также успешной работой обсерваторий LIGO и Virgo по поиску гравитационных волн от сливающихся НЗ. Непрерывно растущий поток наблюдательной информации от НЗ требует адекватной интерпретации. Принципиально важно, чтобы эта интерпретация основывалась бы на реалистичной теории физических процессов, ответственных за происхождение наблюдаемого сигнала.

Предлагаемый проект как раз посвящен развитию такой теории, и предполагает исследования по трем направлениям:

• (I) Уравнение состояния и неравновесные ядерные процессы в коре аккрецирующей НЗ.
• (II) Сейсмология нейтронных звезд: гравитационно-волновая неустойчивость r-мод, механизмы диссипации колебаний и поиск хофнаров.
• (III) Эволюция магнитного поля в нейтронных звездах.

В задаче (I) будет исследовано уравнение состояния вещества коры НЗ в маломассивных рентгеновских двойных системах, в которых происходит аккреция со стороны звезды-компаньона. Кроме того, будут детально изучены неравновесные ядерные реакции в такой коре. Результаты будут использованы для интерпретации большого массива наблюдений теплового излучения от НЗ в таких системах, в том числе тех из них, которые остывают после периодов аккреции в режиме реального времени. В отличие от предыдущих работ на эту тему, мы учтем новый важный эффект перераспределения свободных нейтронов в коре НЗ, предложенный нами в работе [Gusakov M. E., Chugunov A. I., Physical Review Letters, 124, 191101 (2020)]. Согласно нашим предварительным оценкам, учет этого эффекта сильно повлияет на интерпретацию наблюдений.

В задаче (II) будут проведены детальные расчеты спектра колебаний вращающихся НЗ (так называемых r-мод) в рамках общей теории относительности. При этом будут использованы идеи и наработки из нашей недавней работы [Kantor E.M., Gusakov M.E., Dommes V.A., Physical Review Letters, 125, 151101 (2020)]. Кроме того, будет исследован ряд новых (обычно не учитываемых в литературе) диссипативных механизмов, приводящих к затуханию различных колебательных мод (f-,p-,g-,r- мод). Полученные результаты позволят надежно определить, при каких условиях в НЗ могут возбуждаться колебания, приводящие к излучению гравитационных волн. Наконец, будет осуществлен систематический поиск хофнаров (от англ. аббр. HOFNAR=HOt and Fast Non-Accreting Rotator) – гипотетического класса НЗ, предложенного в работе [Chugunov A. I., Gusakov M. E., Kantor E. M., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 445, 385 (2014)], тепловое излучение от которых генерируется за счет диссипации колебательной энергии r-мод в их внутренних слоях.

В задаче (III) будет проведено исследование эволюции магнитного поля в НЗ различных классов. В отличие от большинства предшествующих работ, внимание будет уделено моделированию эволюции магнитного поля не только в коре звезды, но и в ее ядре. Моделирование будет произведено для реалистичных моделей НЗ при помощи оригинального подхода к самосогласованной эволюции магнитного поля в НЗ, развитого в [Gusakov M. E., Kantor E. M., Ofengeim D. D., Physical Review D, 96, 103012 (2017); Ofengeim D. D., Gusakov M. E, Physical Review D, 98, 043007 (2018)]. Результаты эволюционных расчетов будут сравниваться с наблюдениями.

Мы ожидаем, что успешное решение указанных выше задач позволит существенно повысить адекватность интерпретации наблюдательных данных и наложить новые важные ограничения на свойства сверхплотного вещества. Использование оригинальных идей и подходов, недавно предложенных участниками проекта, гарантирует оригинальность и новизну результатов.