Астрофизики обнаружили свидетельства существования странного вещества, называемого кварковым веществом, в самом сердце компактных звезд. Объединив последние теоретические расчеты с измерениями гравитационных волн от столкновений нейтронных звезд, исследователи обнаружили, что наиболее массивные нейтронные звезды, скорее всего, имеют “кварковые ядра.”
В нормальной материи элементарные частицы, называемые кварками, встречаются только внутри протонов и нейтронов. Но если эта нормальная материя подвергается воздействию экстремальных температур или сгущается в очень высоких плотностях, она может “расплавиться” вместе, давая кваркам возможность свободно перемещаться в любом месте внутри этой материи. Это экзотическое новое состояние известно как кварковая материя.
Считается, что форма этого странного вещества, называемого кварк-глюонной плазмой, заполнила вселенную примерно через 20 микросекунд после Большого Взрыва, ведя себя как чрезвычайно горячая жидкость, прежде чем остыть в обычную материю, которая заполняет Вселенную сегодня. В настоящее время единственное место, где вы найдете кварковую материю, – это (кратко) столкновения частиц на Большом адронном коллайдере и, возможно, в самом сердце нейтронных звезд.
Когда некоторые звезды умирают, их ядра коллапсируют, превращаясь либо в черную дыру, либо в нейтронную звезду. В последнем случае этот новый объект втискивает в пространство размером с город, больше массы Солнца. Очевидно, что это создает некоторую экстремальную плотность материи, которая уже давно теоретически дает начало кварковой материи.
Для нового исследования, исследователи из Хельсинкского университета теперь утверждают, что у некоторых нейтронных звезд есть все, кроме подтвержденных кварковых ядер. В частности, те, что имеют наибольшую массу, в два раза превышающую солнечную и более.
Ранее считалось, что две массы Солнца являются абсолютным верхним пределом для нейтронных звезд – еще немного массы, и первоначальная звезда коллапсировала бы в черную дыру. Но астрономы недавно обнаружили горстку нейтронных звезд, которые превышают этот "предел.”
И именно в этих звездах можно найти ядра кварков, согласно новому исследованию. В некоторых случаях кварки могут даже составлять более половины самой нейтронной звезды.
Чтобы прийти к такому выводу, ученые рассчитали “уравнение состояния” вещества в нейтронных звездах. Это уравнение описывает, каково было бы вещество в нейтронной звезде, основываясь на соотношении между давлением и плотностью энергии. Общая теория относительности говорит, что это можно выяснить, используя соотношение между всеми возможными размерами и массами нейтронных звезд.
А в последнее время астрономы получили гораздо более ясные представления о том, насколько большими и массивными могут быть нейтронные звезды. В частности, столкновения между нейтронными звездами были обнаружены LIGO и Virgo как гравитационные волны. Информация, закодированная в этих сигналах, может многое рассказать об объектах, которые их породили.
Все вместе эти волны новых данных позволили сделать исследование максимально точным. Исследователи говорят, что они” почти наверняка " открыли кварковую материю, но они также признают, что есть вероятность, что они ошибаются. Кварковая материя - это самое простое объяснение.
“Все еще существует небольшая, но ненулевая вероятность того, что все нейтронные звезды состоят только из ядерной материи”,- говорит Aleski Vuorinen , ведущий автор исследования. - Однако нам удалось лишь количественно оценить, что потребует этот сценарий. Короче говоря, поведение плотной ядерной материи тогда должно было бы быть действительно своеобразным. Например, скорость звука должна была бы достигать почти такой же скорости света.”
Дополнительные данные о нейтронных звездах, которые постоянно поступают, помогут еще больше уточнить эти расчеты.