Внутри нейтронных звезд — кварковый суп?

Нейтронные звезды становятся все аппетитнее. Не так давно мы узнали, что под верхним слоем у них «ядерная лапша», а теперь вот ученые доказали, что ядра самых массивных нейтронных звезд состоят из кваркового «супа».

Таков результат вычислений, выполненных на основе данных о гравитационных волнах от столкновения нейтронных звезд в августе 2017 года и наблюдений за массивными нейтронными звездами. Всё указывает на то, что в ядрах массивных нейтронных звезд давление и плотность достигают таких значений, что ядра атомов распадаются на кварки, превращаясь в кварковую материю.

Это важный этап в накоплении наших знаний об этих странных объектах, говорят ученые. «Подтверждение наличия кваркового ядра у нейтронных звезд было одной из главных целей изучения физики нейтронных звезд со времен выдвижения этой гипотезы 40 лет назад», — комментирует физик-теоретик Алексий Вуоринен (Aleksi Vuorinen) из Хельсинского университета и Хельсинского института физики.

Внутри нейтронных звезд — кварковый суп?

Нейтронные звезды – те еще загадки. Это сжавшиеся останки звезд, масса которых до смерти составляла от 8 до 30 солнечных. Когда такие звезды взрываются в сверхновые, большая часть их материи разлетается в окружающее пространство, а то, что осталось, сжимается в невероятно плотный объект – нейтронную звезду. Масса нейтронных звезд составляет от 1,1 до 2,3 солнечных, а вот диаметр – всего 10-20 километров.

Когда формируется нейтронная звезда, протоны и электроны превращаются нейтроны и нейтрино. Нейтрино улетают, а нейтроны оказываются под таким огромным давлением, что сливаются. По сути, нейтронная звезда – это огромное ядро с плотностью в 100 триллионов раз больше плотности воды под корой. Там то и формируются упомянутые «ядерные макароны».

Логично предположить, что чем глубже, тем больше плотность. Отсюда и появилась гипотеза о ядре из кварков. Кварки — фундаментальные частицы, из которых собираются такие частицы, как протоны и нейтроны.

Уже на протяжении нескольких десятилетий астрономы обсуждали гипотезу, что при достаточно высоких температуре и плотности нейтроны должны распадаться на кварки.

Очень непросто понять, что на самом деле находится внутри нейтронной звезды. Именно поэтому столкновение нейтронных звезд GW170817, которое астрономы заметили в августе 2017 года, так воодушевило ученых. По тому, что происходило с этими объектами, можно было бы разгадать их внутреннюю структуру.

Вуоринен и его коллеги обнаружили, что у нейтронных звезд с массой больше 2 солнечных есть признаки наличия огромного ядра из кваркового вещества, которое занимает больше половины диаметра звезды.

«Остается маленькая вероятность того, что все нейтронные звезды состоят лишь из ядерной материи, — объясняет Вуоринен. — Но мы расчетами показали, что потребуется для исполнения такого сценария. Если кратко, то поведение этой плотной ядерной материи должно будет быть очень необычным. К примеру, скорость звука приблизится к скорости света».

Открытие кваркового вещества в нейтронных звездах может помочь нам больше узнать о первых моментах существования нашей Вселенной.

Космологи считают, что в первые микросекунды после Большого взрыва — в кварковую эпоху — вселенная была горячим «супом» из кварк-глюонной плазмы. Сегодня мы видим кварковую материю лишь в экспериментах в ускорителях частиц.

Со времен GW170817 коллаборация LIGO-Virgo засекла еще одно столкновение нейтронных звезды. Анализ таких слияний позволит ученым уточнить расчеты.


Научная статья была опубликована в Nature Physics. DOI:10.1038/s41567-020-0914-9
Источник: Science Alert.