Учёным удалось установить новую верхнюю границу скорости звука внутри таких объектов и лучше понять взаимосвязь между давлением, температурой и другими свойствами материи в экстремальных условиях. Для этого они впервые применили решёточную квантовую хромодинамику для изучения внутреннего строения нейтронных звёзд.
Изучение таких экстремальных объектов позволяет физикам проверять существующие теории в новых областях и определять, требуется ли разработка новых научных концепций. Однако исследование нейтронных звёзд сопряжено с рядом трудностей. Их малые размеры делают невозможным визуальное наблюдение с помощью телескопов. Ближайшая к Земле нейтронная звезда находится на расстоянии 400 световых лет.
Земные лаборатории не способны создать материалы, сопоставимые по плотности с веществом нейтронных звёзд, которая примерно в квадриллион раз превышает плотность воды. Даже теоретическое изучение этих объектов затруднено, поскольку соответствующие уравнения не могут быть решены стандартными математическими или вычислительными методами.
Свойства нейтронных звёзд определяются квантовой хромодинамикой (КХД) – теорией сильного взаимодействия, описывающей взаимодействия протонов, нейтронов, кварков и глюонов. Однако КХД делает расчёт взаимодействий частиц крайне сложным, поскольку переносчик силы – глюон – сам несёт «цветовой» заряд, являющийся основным квантовым числом частиц сильного взаимодействия.
Для преодоления этих трудностей Райан Эбботт из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института (MIT) и его коллеги обратились к решёточной КХД. В этом методе пространство-время, где происходят взаимодействия частиц, разделяется на дискретную сетку, а динамика взаимодействий рассчитывается компьютером только в точках этой сетки.
Применение решёточной квантовой хромодинамики для изучения внутреннего строения нейтронных звёзд представляет собой инновационный подход к исследованию этих экстремальных космических объектов. Этот метод позволяет учёным преодолеть ограничения традиционных теоретических моделей и провести сложные компьютерные симуляции поведения материи при сверхвысоких плотностях, характерных для нейтронных звёзд.
Исследователи смогли смоделировать взаимодействия кварков и глюонов в условиях, недостижимых в земных лабораториях, и получить более точные данные о свойствах вещества внутри этих звёзд, включая давление, плотность и скорость распространения звуковых волн.
Используя понятие изоспина – квантового числа, которое у протона и нейтрона имеет противоположные значения, исследователи смогли «проникнуть» в области высокой плотности нейтронной звезды и получить строгие результаты. Для этого команда упростила полное математическое описание нейтронной звезды, а затем провела обширное моделирование методом решёточной КХД, потребовавшее «несколько тысяч часов работы графических процессоров» на нескольких суперкомпьютерах. Новый подход, использующий как теорию частиц, так и компьютерное моделирование, позволил установить строгие ограничения на внутреннее строение нейтронных звёзд.
В результате учёные впервые получили уравнение состояния изоспин-плотной материи для любого изоспинового химического потенциала при нулевой температуре. В частности, учёные обнаружили, что скорость звука в нейтронной звезде может превышать ранее предполагаемый предел. Также выяснилось, что такие звёзды могут быть более массивными, чем считалось ранее.
Результаты исследования открывают новые возможности для дальнейших вычислительных исследований материи нейтронных звёзд. В будущем могут быть проведены более точные расчёты таких характеристик, как проводимость и вязкость, что позволит интерпретировать астрономические наблюдения и, возможно, даже предсказывать их.