Коротко о механизме образования и потом — какие сигналы и что в них читается.
Физика образования нейтронной звезды (коротко, по этапам)
- Предпосылка: у звезды с массой исходной оболочки ≳$8M_{\odot }$ в ядре накапливается «железная» оболочка; когда эффективная масса ядра превышает предел Шандраса‑Хёрста (с учётом вырождения электронов и отвода тепла), поддержка рушится и начинается коллапс.
- Инициирующие процессы: захват электронов на протонах $e^{-}+p\to n+{\nu }_e$ и фотодиссоциация ядер снижают давление, ядро быстро сжимается.
- Стык с ядерными плотностями: при плотности порядка ядерной насыщенности ${\rho }_0\sim 2.7\times 10^{14}\mathrm{g}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$ жёсткость уравнения состояния (EOS) резко возрастает и внутренняя часть «отскакивает» — формируется ударная волна.
- Стадия шока: ударная волна теряет энергию на диссоциацию и тормозится; для успешного взрыва требуется повторное его питание (основной кандидат — нейтринное нагревание, также вклад ротации и мощных магнитных полей при быстром вращении).
- Прото‑нейтронная звезда (PNS): после остановки коллапса образуется горячее, вырожденное тело радиусом $R\sim 10\text{–}30$ км, массой $M\sim 1.2\text{–}2M_{\odot }$. Оно нейтрализуется и охлаждается преимущественно нейтрино за время $\sim 10$–$100$ с, формируется корка (когда температура и состав позволяют кристализацию).
- Внутреннее состояние: в нормальных моделях состав — нейтроны+протоны+электроны (плюс мюоны при больших ${\mu }_e$); при больших плотностях возможны гипероны, конденсаты или разупорядочение кварков — всё это зависит от EOS и сильно влияет на структуру и эволюцию.
Ключевые численные оценки
- Гравитационная энергия, выделяемая при уплотнении: примерно
$$E_{\text{bind}}\sim \frac{3}{5}\frac{G{M}^2}{R}\sim \text{(несколько)}\times 10^{53}\mathrm{erg},$$ большая часть уходит в нейтрино; кинетическая энергия взрыва $\sim 10^{51}\mathrm{erg}$.
- Типичные нейтрино: энергии $⟨E_{\nu }⟩\sim 10\text{–}30\mathrm{MeV}$, длительность основного потока $\sim 10$–$30$ с.
Какие наблюдаемые сигналы и что они сообщают
1) Нейтрино
- Что видно: «нейтринный взрыв» — короткий (мс) нейтронный промпт‑всплеск ${\nu }_e$ при нейронезации, затем фаза аккреции (секунды) с высокой светимостью и в конце этап охлаждения PNS (десятки секунд).
- Информативность:
- общая энергия и длительность дают оценку связанной энергии и времени де‑лептонизации (параметры массы и теплоёмкости PNS);
- спектры и средние энергии разных вкусов чувствительны к температуре и оптической толщине нейтринной сферы — позволяют ограничить EOS и состав (например, присутствие экзотики может ускорять охлаждение либо давать характерные мгновенные изменения);
- временные особенности (всплески, паузы) могут указывать на фазовые переходы внутри PNS (переход в кварковое состояние может давать «второй» всплеск нейтрино), на падение материала (fallback) и на асимметрии в аккреции.
- Практика: для взрыва в пределах Галактики современные детекторы (Super‑Kamiokande, DUNE, JUNO, IceCube) зарегистрируют тысячи — десятки тысяч событий; для SN1987A было ~20 событий. Флаворные преобразования (MSW, коллективные эффекты) усложняют интерпретацию.
2) Гравитационные волны (ГВ)
- Источники ГВ при коллапсе: асимметричные гидродинамические движения (конвекция, SASI), быстрое вращение и удар при «bounce», неосевые нестабильности (бар‑моды), аккреционные потоки, осцилляции PNS (г‑, f‑, p‑моды).
- Что читается:
- если есть быстрый вращательный коллапс — короткий импульс на bounce с высокой частотой $\sim 500\text{–}1000\mathrm{Hz}$ — даёт прямую информацию о моменте импульса и центральной плотности;
- продолжительные, стохастические спектральные компоненты ($\sim 100\text{–}1000\mathrm{Hz}$) от конвекции/SASI и PNS‑осцилляций несут сведения о структуре PNS и EOS: частоты мод связаны с массой и радиусом PNS (а значит с жёсткостью EOS);
- резкие изменения (например, фазовый переход) могут породить характерный всплеск ГВ.
- Амплитуды и обнаружимость: типичные strain для галактической сверхновой порядка $h\sim 10^{-21}\text{–}10^{-20}$ (зависит от механизма); детекторы LIGO/Virgo/KAGRA чувствительны главным образом к событиям в пределах Галактики или ближайших суседних галактик.
3) Электромагнитное излучение
- Мгновенные и ранние сигналы: «выброс шока» (shock breakout) — UV/X‑ray/soft X‑ray вспышка в момент выхода ударной волны на поверхность (время от секунд до часов в зависимости от радиуса звезды).
- Основной световой кривой: оптическая/инфракрасная эмиссия развивается на дня—месяцы, подкрепляется распадом ${}^{56}\mathrm{Ni}\to {}^{56}\mathrm{Co}\to {}^{56}\mathrm{Fe}$; форма и пиковая яркость дают информацию о массе выброшенной оболочки, энергии взрыва и о количестве ${}^{56}\mathrm{Ni}$.
- Поляризация, спектральные линии и профили: показывают асимметрии, скорости оболочек, смешивание; сильная асимметрия указывает на несимметричное взрывное сопряжение (влияет и на пульсарный толчок).
- Поздние времена (годы): рентген/радио от ударной волны, пульсарный ветер (если образовался активный пульсар/магнетар) — говорит о вращении и магнитном поле остатка.
- Специальные случаи: при образовании быстрого магнитара или при джетах возможны гамма‑всплески (если джет прорывается), более яркие и необычные световые кривые; нуклеосинтез (r‑процесс) обусловливает характерные спектральные подписи и изотопные соотношения (но вклад core‑collapse в тяжёлый r‑процесс — предмет исследований).
Как сопоставлять сигналы и внутреннее состояние (коротко)
- Нейтрино: основной прямой диагност внутренней термодинамики PNS (температура, плотность, время охлаждения); всплески/изменения указывают на фазовые переходы или падение вещества.
- Гравволны: дают геометрию и динамику асимметрий, вращение и модовые частоты PNS — позволяют оценить массу/радиус и жёсткость EOS при сверхплотности.
- Электромагнитные наблюдения: дают массу и энергию выброса, асимметрию взрыва, количество синтезированного Ni и долгосрочную активность образовавшегося остатка (пульсар/магнетар), но менее прямы для внутреннего EOS; совместный анализ с нейтрино и ГВ даёт полную картину.
Ключевые диагностические признаки экзотики в ядре
- Резкий «второй» нейтринный всплеск или ускоренное охлаждение → возможный фазовый переход (например, к кварковой материи).
- Неожиданная частотная структура ГВ или сильные одиночные импульсы → быстрый ротационный коллапс или неосевая нестабильность.
- Сильная асимметрия в оптических спектрах и большая скорость пульсара → асимметричные гидродинамические процессы или асимметричный выброс нейтрино.
Краткий вывод
- Нейтрино — основной прямой зонд внутренней термодинамики и состава PNS; ГВ — прямой зонд динамики, асимметрий и мод структуры; электромагнитные сигналы дают массово‑энергетические и химические следы взрыва и позднюю активность остатка. Совместный анализ всех трёх каналов обеспечивает наиболее полное восстановление внутренних процессов и свойств сверхплотной материи.