Фантомы и химеры Вселенной. Выпуск 5: Кварковые и странные звёзды
Нейтронная звезда — это предел сжатия. Так думали долго.
Вещество внутри неё сжато настолько, что отдельные атомы перестают существовать — остаются только нейтроны, упакованные вплотную. Плотность — сто миллионов тонн на кубический сантиметр. Дальше, казалось, некуда.
Но физика спрашивает: а что если сжать ещё сильнее?
Тогда нейтроны распадаются — и внутри звезды начинается нечто совсем другое.
Когда нейтроны ломаются
Нейтрон — не элементарная частица. Внутри него три кварка, связанные сильным взаимодействием. В обычных условиях они не выходят наружу — конфайнмент держит их вместе. Но при чудовищном давлении в ядре массивной нейтронной звезды этот барьер может рухнуть.
Нейтроны распадаются на составляющие. Кварки вырываются на свободу и образуют кварковую жидкость — плотную, горячую, не похожую ни на что в обычной материи. Звезда, в которой это произошло, называется кварковой.
По внешним признакам она почти неотличима от нейтронной. Та же масса, то же рентгеновское излучение, тот же пульсар на поверхности. Но радиус — на несколько километров меньше при той же массе.
В 2024 году итальянские астрономы объявили: они, возможно, нашли такую звезду. Объект HESS J1731-347 — масса меньше солнечной, радиус около десяти километров. По всем нейтронным моделям такой объект не должен существовать. Но он есть.
Возможно, это первая кварковая звезда, которую мы увидели. Возможно — нет. Данные пока допускают оба варианта.
Странная материя: ещё один шаг вниз
Среди кварков есть три лёгких: u (верхний), d (нижний) и s (странный). Нейтрон — это udd. Протон — uud. Обычная материя целиком из u и d.
Странные кварки тяжелее — но при очень высоком давлении они могут стать энергетически выгодными. Тогда к u и d добавляется s — и возникает странная кварковая материя. Теоретически она стабильнее обычного ядерного вещества. Если это так, то звезда целиком из неё — странная звезда — будет ещё плотнее, ещё компактнее кварковой.
И вот здесь физика делает неприятный вывод: если странная материя действительно стабильнее обычной — она должна стремиться её заменить.
Страпелька
Небольшой сгусток странной кварковой материи — страпелька. Маленький, стабильный, почти неуязвимый.
Если страпелька соприкоснётся с обычным веществом, она может запустить цепную реакцию. Обычная материя переходит в странную. Та становится новой страпелькой. Реакция распространяется дальше.
В пределе — по расчётам астрофизика Мартина Риса: планета размером с Землю превращается в шар из странной материи диаметром около ста метров.
Это звучит как апокалиптическая фантастика — но это честное следствие физических гипотез. Именно поэтому перед запуском RHIC и LHC физики серьёзно анализировали: не создадут ли ускорители стабильные страпельки? Вывод был успокоительным: космические лучи с энергиями куда выше коллайдерных бомбардируют Землю миллиарды лет — и ничего. Значит, либо стабильных страпелек не существует, либо они распадаются прежде, чем успевают что-то сделать.
Пока Вселенная вокруг нас состоит из обычного вещества — это лучшее доказательство того, что страпельки не так страшны, как кажутся.
Что если: страпелька из 300 световых лет
Нейтронная звезда в 300 световых лет сталкивается с компаньоном. При слиянии — выброс. Среди обломков — сгусток странной материи, страпелька размером с песчинку. Она летит в межзвёздном пространстве.
Триста световых лет — это рядом по галактическим меркам. При скорости в несколько сотен километров в секунду — несколько миллионов лет в пути.
На Земле ничего не происходит. Страпелька не светит, не излучает, почти не взаимодействует с обычной материей. Никакой телескоп её не увидит. Никакой детектор не почует.
Если она долетит — мы не успеем заметить. Контакт с первым атомом атмосферы запустит реакцию. За секунды — километры. За часы — всё.
Но вот что важно: за миллиарды лет существования Вселенной таких слияний было бесчисленное множество. И ни одна планета, насколько мы знаем, не исчезла таким образом. Это либо означает, что страпельки нестабильны. Либо — что нам очень везло.
Физики склоняются к первому варианту. Но полной уверенности нет.
Кварковые и странные звёзды — это предел сжатия обычного вещества. Но в начале Вселенной существовало нечто, что работало на совсем другом топливе. Не на ядерном синтезе — на аннигиляции тёмной материи. Эти объекты могли быть огромными, холодными и почти невидимыми.
**********
В следующем выпуске: тёмные звёзды.
**********
Я не учёный — просто люблю читать тех, кто им является. Все факты проверены по научным источникам, открытые вопросы названы открытыми. Нашли ошибку — пишите в комментарии, буду благодарен.
Пишу о вещах, после которых по-другому смотришь на мир вокруг. Если это ваше — кнопка подписки рядом.
**********
Источники:
- Doroshenko V. et al. «A strangely light neutron star within a supernova remnant», Nature Astronomy (2022) — кандидат HESS J1731-347
- Bodmer A.R. «Collapsed nuclei», Physical Review D, 4 (1971) — гипотеза стабильности странной кварковой материи
- Madsen J. «Physics and astrophysics of strange quark matter», Lecture Notes in Physics (1999) — страпельки и аргумент безопасности через космические лучи
- Han S. et al. «Recent progresses in strange quark stars», arXiv:2404.00363 (2024)
- Bauswein A. et al. «Formation and evaporation of strangelets during the merger of compact stars», Physical Review D, 106 (2022)
**********
#кварковыезвёзды #странныезвёзды #страпелька #нейтронныезвёзды #физика #фантомыихимеры #кварки #наука #научпоп #астрофизика