Когда звезда умирает, жестокий конец может привести к рождению нейтронной звезды. Нейтронные звезды — настоящие тяжеловесы во Вселенной - чайная ложка небесного тела длиной в несколько километров весила бы миллиард тонн. Существует невообразимая разница в размерах между атомным ядром изотопа свинца-208 и нейтронной звездой, но в значительной степени их свойства описывает одна и та же физика. Теперь исследователи из Чалмерса разработали новую вычислительную модель для изучения атомного ядра свинца. 126 нейтронов (красных) в ядре образуют внешнюю оболочку, которую можно описать как оболочку. Насколько толстой является оболочка, связано с сильным взаимодействием. Предсказывая толщину нейтронной оболочки, можно пополнить знания о том, как работает сильное взаимодействие — как в атомных ядрах, так и в нейтронных звездах.
Считается, что массивные нейтронные звезды, сталкивающиеся в космосе, способны создавать драгоценные металлы, такие как золото и платина. Свойства этих звезд все еще остаются загадкой, но ответ может скрываться под оболочкой одного из самых маленьких строительных блоков на Земле — атомного ядра свинца. Заставить ядро атома раскрыть секреты сильного взаимодействия, которое управляет внутренней частью нейтронных звезд, оказалось трудным делом. Теперь новая компьютерная модель из Технологического университета Чалмерса, Швеция, может дать ответы.
В недавно опубликованной статье в журнале Nature Physics исследователи Чалмерса представляют прорыв в вычислении атомного ядра тяжелого и стабильного элемента свинца.
Сильное взаимодействие играет главную роль
Несмотря на огромную разницу в размерах между микроскопическим атомным ядром и нейтронной звездой размером в несколько километров, их свойства во многом определяются одной и той же физикой. Общим знаменателем является сильная сила, которая удерживает частицы — протоны и нейтроны — вместе в атомном ядре.
Та же сила также предотвращает коллапс нейтронной звезды. Сильное взаимодействие является фундаментальным во Вселенной, но его трудно включить в вычислительные модели, не в последнюю очередь, когда речь идет о тяжелых атомных ядрах, богатых нейтронами, таких как свинец. Поэтому исследователи столкнулись со многими вопросами, оставшимися без ответа, в своих сложных расчетах.
Надежный способ проведения расчетов
"Чтобы понять, как сильное взаимодействие работает в богатой нейтронами материи, нам нужны значимые сравнения между теорией и экспериментом. Поэтому в дополнение к наблюдениям, сделанным в лабораториях и с помощью телескопов, также необходимы надежные теоретические симуляции. Наш прорыв означает, что мы смогли провести такие расчеты для самого тяжелого стабильного элемента — свинца ", - говорит Андреас Экстрем, доцент кафедры физики в Чалмерсе и один из основных авторов статьи.
Новая компьютерная модель от Chalmers, разработанная совместно с коллегами из Северной Америки и Англии, теперь показывает путь вперед. Это позволяет с высокой точностью предсказывать свойства изотопа свинца-208 и его так называемой "нейтронной оболочки".
Толщина оболочки имеет значение
Именно 126 нейтронов в атомном ядре образуют внешнюю оболочку, которую можно описать как оболочку. Насколько толстой является оболочка, связано со свойствами сильного взаимодействия. Предсказывая толщину нейтронной оболочки, можно получить знания о том, как работает сильное взаимодействие — как в атомных ядрах, так и в нейтронных звездах.
"Мы предсказываем, что нейтронная оболочка удивительно тонкая, что может дать новое представление о силе между нейтронами. Новаторский аспект нашей модели заключается в том, что она не только обеспечивает предсказания, но и обладает способностью оценивать теоретические пределы погрешности. Это имеет решающее значение для достижения научного прогресса ", - говорит руководитель исследования Кристиан Форссен, профессор физического факультета университета Чалмерса.
Модель, используемая для распространения коронавируса
Для разработки новой вычислительной модели исследователи объединили теории с существующими данными экспериментальных исследований. Затем сложные вычисления были объединены со статистическим методом, ранее использовавшимся для моделирования возможного распространения коронавируса.
С новой моделью для свинца теперь можно оценить различные предположения о сильном взаимодействии. Модель также позволяет делать прогнозы для других атомных ядер, от самых легких до самых тяжелых.
Этот прорыв может привести к созданию гораздо более точных моделей, например, нейтронных звезд, и углублению знаний о том, как они образуются.
"Наша цель - получить более глубокое понимание того, как сильное взаимодействие ведет себя как в нейтронных звездах, так и в атомных ядрах. Это делает исследование на один шаг ближе к пониманию того, как, например, золото и другие элементы могут быть созданы в нейтронных звездах — и, в конце концов, речь идет о понимании Вселенной ", - говорит Кристиан Форссен.
