Если вы думали, что сталь, алмаз или графен – это вершина прочности, приготовьтесь удивиться. Во Вселенной существует материал, который превосходит их все на многие порядки. Речь идет о так называемых «ядерных макаронах» – экзотическом веществе, формирующемся в экстремальных условиях недр нейтронных звезд. Ученые с помощью сложнейших компьютерных симуляций только начинают раскрывать его невероятные свойства.
Рождение в сердце сверхновой
История этого материала начинается с грандиозного космического катаклизма. Когда массивная звезда завершает свой жизненный цикл, она взрывается как сверхновная, сбрасывая внешние оболочки. Оставшееся ядро, невероятно плотное, коллапсирует под действием собственной гравитации. Так рождается нейтронная звезда – объект, способный уместить массу одного или двух Солнц в сфере диаметром всего около 10 километров. Чудовищная плотность вещества в таких объектах порождает физические явления, не имеющие аналогов на Земле.
Структура, вдохновленная кухней
«Ядерные макароны» – это одно из таких явлений. В глубинах нейтронной звезды, где нейтроны упакованы невероятно плотно, они начинают самоорганизовываться под действием ядерных сил и гравитации. Эти структуры, возникающие на границе коры и внутренних слоев звезды, ученые, за неимением земных аналогов, сравнили с формами пасты: спагетти, лазаньи или анти-спагетти (трубками). Это не метафора, а описание реальных геометрических конфигураций нуклонной материи.
Моделирование экстремальных условий
Изучить этот материал в лаборатории невозможно, поэтому ключом к пониманию стали мощные компьютерные симуляции. Международная команда исследователей из Университета Макгилла, Университета Индианы и Калифорнийского технологического института создала детальные модели молекулярной динамики. Они воспроизвели условия от относительно холодной коры звезды до самых глубин, где, как предполагается, может существовать кварк-глюонная плазма.
Виртуальные эксперименты были масштабными: ученые «растягивали» и «деформировали» ядерные макаронные структуры, чтобы найти предел их прочности. На эти вычисления ушло эквивалент двух миллионов лет процессорного времени. Результат ошеломил: оказалось, что этот материал примерно в 10 миллиардов раз прочнее стали. Это беспрецедентный показатель, который дает «ядерным макаронам» право считаться самым прочным материалом во Вселенной из известных науке.
Физика экстремумов и гравитационные волны
«Экстремальные условия внутри нейтронных звезд – это уникальная лаборатория для проверки фундаментальных физических теорий, – поясняет соавтор исследования Мэтью Каплан. – Изучение таких объектов, как ядерные макароны, позволяет нам тестировать и уточнять наши модели поведения материи при плотностях, недостижимых ни в одном земном эксперименте».
Но прочность – не единственное удивительное свойство. Моделирование показало, что деформации и разрывы в слое ядерной пасты могут быть достаточно мощными, чтобы генерировать гравитационные волны – рябь в самой ткани пространства-времени. До сих пор эти волны фиксировались только от катастрофических событий вроде слияния черных дыр или нейтронных звезд. Новое исследование предполагает, что даже одиночная, быстро вращающаяся нейтронная звезда с неоднородностями в коре может стать источником слабого, но детектируемого будущими обсерваториями гравитационного сигнала. Это открывает новое окно для наблюдения за самыми загадочными объектами космоса.