Ученые кафедры теории относительности и гравитации Института физики Казанского федерального университета обосновали существование «странных» нейтронных звезд в рамках модифицированной (неэйнштейновской) теории гравитации. Это открытие согласуется с недавними наблюдательными данными, полученными астрономами.

Научные результаты представлены в статье, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

О том, как удалось решить важную астрофизическую проблему, рассказал один из авторов статьи, заведующий кафедрой теории относительности и гравитации Сергей Сушков, который вместе со своими коллегами занимается построением реалистичных космологических и астрофизических моделей в различных модифицированных (неэйнштейновских) теориях гравитации.

Он отметил, что хотя за свою столетнюю историю общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна успешно преодолела все экспериментальные проверки и очень хорошо описывает гравитационные эффекты в пределах Солнечной системы, но в последние годы появляются различные наблюдательные данные и теоретические аргументы, указывающие на то, что эйнштейновская теория гравитации должна быть модифицирована в сильных гравитационных полях.

«Поскольку появляются новые наблюдательные данные, которые не удается объяснить в рамках ОТО, физики-теоретики пытаются решить эту проблему с помощью расширения или модификации эйнштейновской теории гравитации, – рассказывает Сергей Владимирович. – В недавно опубликованной статье мы представили результаты исследований нейтронных звезд в теории гравитации с неминимальной кинетической связью между скалярным полем и кривизной. Эта модель представляет собой специальный подкласс теории гравитации Хорндески, которая является наиболее общим расширением ОТО в виде скалярно-тензорной теории гравитации с уравнениями движения второго порядка и не выше. Для ответа на вопрос, насколько жизнеспособна та или иная модифицированная теория гравитации, физику-теоретику требуется провести исследования астрофизических моделей и сравнить полученные результаты с наблюдательными данными. В результате можно понять, насколько хорошо модифицированная теория соотносится с наблюдениями, и получить актуальные ограничения на параметры теории».

По словам ученого, нейтронные звезды являются хорошими объектами для проверки различных модифицированных теорий гравитации, поскольку обладают сильными гравитационными полями.

«Нейтронная звезда – это компактное космическое тело, которое образуется в результате вспышки сверхновой из звезды-сверхгиганта в том случае, если масса исходной звезды недостаточно велика для формирования черной дыры. Во время взрыва сверхновой внешние оболочки звезды выбрасываются в космическое пространство, а оставшееся вещество образует ядро, настолько плотное, что электроны и протоны под действием гравитации сливаются в нейтроны. Плотность новой нейтронной звезды очень велика и в ее центре превышает плотность атомного ядра. Массы нейтронных звезд сравнимы с массой Солнца, а их радиус, как правило, составляет всего 10–12 километров», – сообщил С. Сушков.

В своей работе ученые КФУ построили и исследовали новые модели нейтронных звезд в теории гравитации с неминимальной кинетической связью. Им удалось выявить необычные свойства этих моделей.

«Важная характеристика нейтронных звезд – это так называемая диаграмма «масса – радиус», которая связывает две величины: массу нейтронной звезды и ее радиус. Обычно с уменьшением массы уменьшается сила гравитационного притяжения, и радиус звезды увеличивается, то есть нейтронная звезда становится менее плотной», – продолжает свой рассказ Сергей Сушков.

Авторы статьи показали, что диаграмма «масса – радиус» для нейтронных звезд в теории гравитации с неминимальной кинетической связью существенно отличается от стандартных диаграмм, получаемых в ОТО.

«На полученных нами диаграммах радиус звезды монотонно уменьшается с уменьшением массы. Нейтронные звезды с такой зависимостью радиуса от массы были известны в научной литературе. Они получили название «странных» звезд. Странные звезды менее массивные, чем обычные нейтронные звезды, и поэтому более трудные для наблюдения. До недавних пор не существовало наблюдательных свидетельств их существования, однако в последние годы астрономы открыли новые объекты, которые могут быть странными звездами», – проинформировал доктор физико-математических наук.

Ученые кафедры теории относительности и гравитации КФУ доказали, что странные звезды являются решениями модифицированной теории гравитации. Они планируют продолжить исследование этих интересных космических объектов и надеются, что новые наблюдательные данные позволят им сделать более точные предсказания о допустимых параметрах модифицированной теории гравитации.