Изучение нейтронных звезд: найдены доказательства существования экзотического кваркового вещества

Доказано существование экзотического кваркового вещества внутри нейтронных звезд.

Финская исследовательская группа нашла убедительные доказательства присутствия экзотического кваркового вещества в ядрах крупнейших нейтронных звезд из существующих. Вывод был сделан путем объединения последних результатов теоретической физики частиц и ядерной физики с измерениями гравитационных волн от столкновений нейтронных звезд. Об этом пишет Nature Physics.

Вся окружающая нас нормальная материя состоит из атомов, плотные ядра которых, состоящие из протонов и нейтронов, окружены отрицательно заряженными электронами. Однако известно, что внутри так называемых нейтронных звезд атомная материя коллапсирует в чрезвычайно плотную ядерную материю, в которой нейтроны и протоны упакованы настолько плотно, что всю звезду можно считать одним огромным ядром.

До сих пор было неясно, находится ли внутри ядер самых массивных нейтронных звезд ядерное вещество и переходит ли оно в более экзотическое состояние, называемое кварковым веществом, в котором сами ядра больше не существуют.

"Подтверждение существования ядер кварков внутри нейтронных звезд было одной из самых важных целей физики нейтронных звезд с тех пор, как эта возможность впервые была использована примерно 40 лет назад", - говорит доцент Алекси Вуоринен, факультет физики Университета Хельсинки.

Даже при проведении крупномасштабных симуляций на суперкомпьютерах, неспособных определить судьбу ядерной материи внутри нейтронных звезд, финская исследовательская группа предложила новый подход к проблеме. Они поняли, что, сочетая последние результаты теоретической физики частиц и ядерной физики с астрофизическими измерениями, можно было бы определить характеристики и идентичность вещества, находящегося внутри нейтронных звезд.

Согласно исследованию, материя, находящаяся в ядрах наиболее массивных стабильных нейтронных звезд, имеет гораздо большее сходство с кварковой материей, чем с обычной ядерной материей. Расчеты показывают, что в этих звездах диаметр ядра, идентифицируемого как кварковое вещество, может превышать половину диаметра всей нейтронной звезды. Тем не менее, исследователи говорят, что есть еще много неопределенностей, связанных с точной структурой нейтронных звезд.

"Все еще существует небольшая, но ненулевая вероятность того, что все нейтронные звезды состоят из одной ядерной материи. Однако мы смогли сделать количественную оценку того, что потребовалось бы для этого сценария. Короче говоря, тогда поведение плотной ядерной материи было бы по-настоящему своеобразным. Например, скорость звука должна была бы достичь почти скорости света",  - добавил Вуоринен.

Ключевым фактором, способствовавшим новым открытиям, стало появление двух недавних результатов в наблюдательной астрофизике: измерение гравитационных волн от слияния нейтронных звезд и обнаружение очень массивных нейтронных звезд с массами, близкими к двум массам Солнца.

Осенью 2017 года обсерватории LIGO и Virgo впервые обнаружили гравитационные волны, генерируемые двумя сливающимися нейтронными звездами. Это наблюдение установило строгий верхний предел для величины, называемой приливной деформируемостью, которая измеряет восприимчивость структуры орбитальной звезды к гравитационному полю ее спутника. Этот результат впоследствии был использован для получения верхнего предела для радиусов сталкивающихся нейтронных звезд, который оказался примерно 13 км.

Точно так же, хотя первое наблюдение нейтронной звезды датируется вплоть до 1967 года, точные измерения массы этих звезд были возможны только в течение последних 20 лет или около того. Большинство звезд с точно известными массами попадают в окно от 1 до 1,7 звездных масс, но в последнее десятилетие были обнаружены три звезды, которые достигли или, возможно, даже немного превысили предел в две солнечные массы.

С осени 2017 года наблюдался ряд новых слияний нейтронных звезд, и LIGO и Virgo быстро стали неотъемлемой частью исследований нейтронных звезд. Именно это быстрое накопление новой наблюдательной информации играет ключевую роль в повышении точности новых результатов финской исследовательской группы и в подтверждении существования кварковой материи внутри нейтронных звезд. С дальнейшими наблюдениями, ожидаемыми в ближайшем будущем, неопределенности, связанные с новыми результатами, также автоматически уменьшатся.