Телескоп «Роман» поможет найти миллионы невидимых нейтронных звезд

Астрономы давно подозревают, что Млечный Путь наполнен нейтронными звездами — сверхплотными остатками, которые остаются после взрыва массивных светил. Проблема в том, что большинство из них практически невозможно увидеть. Новое исследование, опубликованное в журнале Astronomy and Astrophysics, предполагает, что будущий космический телескоп NASA «Нэнси Грейс Роман» (Nancy Grace Roman Space Telescope) наконец сможет обнаружить некоторые из них.

Используя продвинутые симуляции Млечного Пути и прогнозы будущих наблюдений «Роман», исследователи выяснили, что телескоп сможет обнаружить и изучить десятки изолированных нейтронных звезд с помощью явления, известного как гравитационное микролинзирование.

«Большинство нейтронных звезд относительно тусклы и одиноки. Их невероятно трудно заметить без какой-либо помощи», — сказала Зофья Качмарек из Гейдельбергского университета в Германии, которая руководила исследованием.

Нейтронные звезды содержат больше массы, чем Солнце, упакованной в объект размером с город. Ученые изучают их, чтобы лучше понять, как звезды эволюционируют, взрываются и распространяют тяжелые элементы по космосу. Они также дают редкую возможность исследовать материю в самых экстремальных условиях давления и плотности.

Большинство нейтронных звезд остаются скрытыми, если они не проявляют себя как пульсары, излучающие радиоволны, или не светятся ярко в рентгеновском диапазоне. Даже самые мощные телескопы могут пропустить изолированные нейтронные звезды, которые излучают мало или вообще не излучают видимого света.

Космический телескоп «Роман» сможет находить их косвенно. Когда массивный объект, такой как нейтронная звезда, проходит перед более далекой звездой, его гравитация искривляет и увеличивает свет фоновой звезды. Этот эффект, называемый микролинзированием, временно делает далекую звезду ярче и слегка смещает ее на небе.

Многие телескопы могут обнаружить кратковременное увеличение яркости, вызванное микролинзированием, но «Роман» способен на большее. Обсерватория будет точно измерять как увеличение яркости (фотометрия), так и крошечное позиционное движение (астрометрия) фоновой звезды.

Поскольку нейтронные звезды относительно тяжелы, они создают более сильный астрометрический сигнал, чем более мелкие объекты. Это означает, что «Роман» может не только обнаруживать скрытые нейтронные звезды, но и измерять их массы, что чрезвычайно сложно сделать с помощью одной только фотометрии.

«Что действительно здорово в использовании микролинзирования, так это то, что вы можете получить прямые измерения массы, — сказал соавтор статьи Питер Макгилл из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. — Фотометрия говорит нам, что что-то прошло перед звездой, но именно величина смещения положения звезды говорит нам, насколько массивным был этот объект. Измеряя это крошечное отклонение на небе, мы можем напрямую взвесить то, что иначе невидимо».

Наблюдения «Роман» могут помочь ученым ответить на важные вопросы о нейтронных звездах и черных дырах, включая то, существует ли истинный разрыв между их массами. Миссия также может показать, как быстро нейтронные звезды движутся по галактике. Исследователи особенно заинтересованы в мощных «ударах», которые нейтронные звезды получают во время взрывов сверхновых. Эти violent события могут запускать их в космос со скоростью сотен миль в секунду.

Команда планирует использовать будущий обзор «Галактической выпуклости во времени» (Galactic Bulge Time Domain Survey) телескопа «Роман», который будет неоднократно наблюдать миллионы звезд на огромных участках неба.

«Мы приступим к работе, как только начнут поступать данные, — сказал Макгилл. — Даже в первые месяцы после ввода в эксплуатацию мы ожидаем, что начнем выявлять многообещающие события».

Даже скромное количество подтвержденных открытий может значительно улучшить модели звездных взрывов и поведения материи в экстремальных условиях.

«Мы не знаем распределение масс нейтронных звезд, черных дыр или того, где заканчивается одно и начинается другое, с какой-либо определенностью, — сказал Макгилл. — «Роман» станет настоящим прорывом в этом отношении».

На сегодняшний день астрономы идентифицировали лишь несколько тысяч нейтронных звезд, большинство из которых обнаружены как пульсары. Однако ученые подсчитали, что Млечный Путь может содержать от десятков до сотен миллионов нейтронных звезд. Исследователям также удалось измерить массы нейтронных звезд только в двойных системах, где два объекта вращаются друг вокруг друга.

«Мы видим небольшую выборку, которая не отражает общей картины, — сказала Качмарек. — Даже одно измерение массы было бы очень мощным. Если бы мы нашли всего одну изолированную нейтронную звезду, это уже было бы невероятно стимулирующим для наших исследований».

Исследование также подчеркивает неожиданное научное преимущество миссии «Роман». Хотя обзор телескопа изначально был разработан в основном для обнаружения экзопланет с помощью фотометрического микролинзирования, его передовая астрометрическая точность может открыть дверь к совершенно новым типам открытий.

«Это не было частью первоначального плана, — сказал Макгилл. — Но оказалось, что астрометрическая способность «Роман» действительно хороша для обнаружения нейтронных звезд и черных дыр, так что мы можем добавить совершенно новый вид науки в обзоры «Роман».

Если прогнозы верны, «Роман» может предоставить первую крупную коллекцию изолированных нейтронных звезд, обнаруженных исключительно по их гравитационному воздействию. Ожидается, что миссия значительно расширит изучение микролинзирования и раскроет скрытые популяции объектов по всему Млечному Пути, включая планеты-изгои и звездные остатки, такие как нейтронные звезды.