Внутрішня частина мертвої зірки може виглядати як гігантське атомне ядро

Можливо, вчені ближче, ніж будь-коли, до розгадки таємниці того, що лежить глибоко під поверхнею мертвих надщільних зірок, які називаються нейтронними зірками. Новий суперкомп’ютерний аналіз нейтронних зірок показав, що існує від 80% до 90% ймовірності того, що ці тіла мають ядра, наповнені вільними кварками, які є фундаментальними, субатомними частинками, як правило, лише пов’язаними разом в інших частинках, таких як протони та нейтрони. 

Самі протони і нейтрони збираються разом, утворюючи ядра атомів, навколо яких знаходяться електрони. Але, на думку команди, якщо ядра нейтронних зірок справді повні вільних кварків, вони складатимуться з екзотичної форми матерії, відомої як «холодна кваркова матерія». А в холодній кварковій матерії окремі протони і нейтрони існувати не можуть. Отже, атоми не можуть існувати. Тільки кварки.

Якщо це правда, це зробило б нейтронні зірки схожими на неймовірно величезні атомні ядра.

«Це захоплююче конкретно спостерігати, як кожне нове спостереження нейтронної зірки дозволяє нам виводити властивості матерії нейтронної зірки зі зростаючою точністю», — провідний автор дослідження Йоонас Неттіла, який збирається обійняти посаду доцента в Університеті Гельсінкі. , йдеться в повідомленні. 

Нейтронні зірки народжуються, коли зірки з масою, що в 10-20 разів перевищує масу Сонця, закінчуються паливом, необхідним для власного ядерного синтезу, що відбувається в їх ядрах. Це призводить до припинення зовнішньої енергії, яка протягом мільйонів або навіть мільярдів років утримувала зірку стабільною проти внутрішнього тиску її власної гравітації. 

Гравітація перемагає в цьому космічному перетягуванні канату, ядро ​​зірки починає руйнуватися. Коли це відбувається, зовнішній матеріал зірки, де все ще відбувається ядерний синтез, зноситься під час потужного вибуху наднової.

Таким чином, зоряне ядро ​​має масу в один-два рази більшу за масу Сонця, конденсуючись до ширини лише близько 12 миль (20 кілометрів).

Це величезне зменшення розміру того, що зараз є нейтронною зіркою, створює матерію, яка настільки щільна, що її блок розміром із кубик цукру важив би близько 1 мільярда тонн, якби його доставили на Землю. Це кубик цукру, який важить як 3000 Емпайр-Стейт-Білдінг. 

Отже, питання полягає в тому, з чого зроблена ця неймовірно екзотична матерія, якої, можливо, більше ніде у Всесвіті немає? І, загалом, чи можуть умови в найщільніших областях цих мертвих зірок справді створити абсолютно нову фазу матерії, яка називається холодною кварковою матерією, позбавленою протонів і нейтронів? 

Вчені не можуть відвідати нейтронні зірки, щоб отримати зразок цього матеріалу; навіть найближчі нейтронні зірки знаходяться на відстані близько 400 світлових років від нас, тож найкраще змоделювати умови під поверхнею зірок за допомогою потужної комбінації фактичних астрономічних даних і суперкомп’ютерів.

У цьому новому дослідженні використовувався тип статистичного висновку, який називається байєсівським висновком, який обчислює ймовірність різних параметрів моделі шляхом прямого порівняння з даними спостережень.  

Це дозволило команді визначити межі для матерії нейтронної зірки, дозволивши екіпажу зробити висновок про наявність холодної кваркової матерії з високим ступенем ймовірності. Механізм також припустив, що в нейтронних зірках існує «без’ядерний» стан матерії, в якому кварки можуть існувати «розмежовано» в протонах, нейтронах та інших частинках. 

«Кварки та глюони, що входять до їх складу, натомість звільнені від типового кольорового обмеження та можуть рухатися майже вільно», — сказав у заяві Алексі Вуорінен, професор теоретичної фізики з Університету Гельсінкі.

Суперкомп’ютерне моделювання, проведене командою, також показує, що ймовірність того, що речовина всередині нейтронних зірок швидко змінюється з ядерної матерії на «кваркову», становить менше 20%, майже як вода перетворюється на лід. Така швидка зміна речовини може дестабілізувати нейтронні зірки таким чином, що навіть крихітна кваркова речовина може колапсувати, утворюючи чорну діру. 

Дослідження також показало, що існування ядер кваркової матерії може бути повністю підтверджено в майбутньому шляхом подальшого аналізу. 

Ключем до цього буде визначення сили фазового переходу від ядерної матерії до кваркової матерії, що може стати можливим, коли детектори гравітаційних хвиль стануть достатньо чутливими, щоб «чути» крихітні брижі в просторі-часі, що виникають з останнього моменту перед двома нейтронними зірками. стикаються один з одним. 

Тим не менш, навіть з покращеними даними спостережень, кращі моделі ядер нейтронних зірок все одно вимагатимуть величезної кількості обчислювальних ресурсів і часу. 

«Нам довелося використати мільйони процесорних годин суперкомп’ютерного часу, щоб мати можливість порівняти наші теоретичні прогнози зі спостереженнями та обмежити ймовірність ядер із кваркової матерії», — сказав Йоонас Хірвонен, член команди та аспірант Гельсінського університету. заяву. Дослідження команди було опубліковано в грудні в журналі Nature Communications.