Получены убедительные доказательства существования экзотического типа материи внутри нейтронных звезд

Нейтронные звезды поднимаются на вершину списка самых интересных объектов во Вселенной. Теперь у нас есть новые доказательства того, что ядра самых массивных нейтронных звезд состоят из экзотического «супа» субатомных частиц, называемых кварками.

Физики произвели новые расчеты, используя данные от гравитационных волн, впервые обнаруженных в результате столкновения нейтронной звезды в августе 2017 года, а также наблюдений удивительно массивных нейтронных звезд. Их вывод намекает на захватывающий результат — ядра самых массивных нейтронных звезд настолько плотны, что атомные ядра перестают существовать, конденсируясь в кварковую материю.

По словам исследователей, это важный этап в понимании странных особенностей этих экстремальных объектов.

«Подтверждение существования кварковых ядер внутри нейтронных звезд было одной из самых важных целей физики нейтронных звезд», — сказал физик-теоретик Алекси Вуоринен из Хельсинкского университета и Хельсинкского института Физики.

Нейтронные звезды удивительные объекты. Они на самом деле «мертвы» — разрушенные остатки массивных звезд, между 8 и 30 солнечными массами. Когда эти звезды становятся сверхновыми, большая часть их массы выбрасывается в космос; оставшееся ядро ​​превращается в невероятно плотный объект.

Получающиеся в результате нейтронные звезды могут находиться в диапазоне между 1,1 и 2,3 солнечными массами, упакованными в плотную маленькую сферу диаметром всего в 10-20 километров.

Когда происходит взрыв сверхновой, протоны и электроны в атомах, которые составляют объект, сжимаются в нейтроны и нейтрино. Нейтрино улетают, оставляя нейтроны в условиях такого высокого давления, что они сливаются воедино, делая нейтронную звезду по существу одним большим ядром, плотность которого в 100 триллионов раз превышает плотность воды.

Но ожидается, что плотность будет увеличиваться по мере того, как вы углубляетесь, и именно здесь возникает идея о ядрах из кварковой материи. Кварки — это фундаментальные субатомные частицы, которые объединяются, образуя составные частицы, такие как протоны и нейтроны.

В течение нескольких десятилетий астрономы выдвигали гипотезу, что при достаточно высокой температуре и плотности нейтроны распадаются еще дальше на составляющие их кварки, создавая своего рода «суп» из кварков.

Хотя действительно сложно понять, что находится внутри нейтронной звезды. Таким образом, столкновение в августе 2017 года — GW170817 — было очень волнующим для астрономов, так как способ изменения двух звезд, когда они стали достаточно близко, чтобы гравитационно деформировать друг друга, мог раскрыть информацию об их внутренней структуре.

Вуоринен и его команда использовали этот гравитационно-волновой сигнал вместе с новыми теоретическими результатами и результатами физики элементарных частиц, чтобы произвести расчеты. Они обнаружили, что нейтронные звезды в направлении верхнего предела массы таких объектов — не менее двух солнечных масс — демонстрируют характеристики, которые указывают на наличие огромного ядра кварковой материи, в более половины диаметра нейтронной звезды.

Открытие материи кварков внутри нейтронных звезд не просто удивительно само по себе — оно может помочь нам узнать больше о самых ранних моментах нашей Вселенной.

Космологи считают, что в течение нескольких микросекунд сразу после Большого взрыва, известного как эпоха кварков, Вселенная была заполнена горячим «супом» из кварк-глюонной плазмы, которая быстро сливалась в адроны.

В наши дни мы можем лишь на очень маленький промежуток времени найти кварковую материю в экспериментах с коллайдером; но некоторые массивные нейтронные звезды тоже могли бы укрывать ее. Если мы сможем охарактеризовать условия нейтронной звезды, при которых образуется кварковая материя, это могло бы помочь нам лучше понять эпоху кварков.

Начиная с GW170817, коллаборация LIGO-Virgo обнаружила второе слияние нейтронных звезд, и это только вопрос времени, прежде чем начнут поступать новые данные. Анализ новых слияний может помочь команде подтвердить свои расчеты и сгладить неопределенности.

«Есть основания полагать, что золотой век гравитационно-волновой астрофизики только начинается, и что вскоре мы станем свидетелями еще многих подобных прорывов в нашем понимании природы», — сказал Вуоринен.

Исследование было опубликовано Nature Physics.

Источники: Фото: (Jyrki Hokkanen, CSC - IT Center for Science)