Гравітаційні хвилі дають ключ до розгадки найщільнішої матерії у Всесвіті

Розрахунки дослідників RIKEN передбачають, що ознаки сигналів гравітаційних хвиль від нейтронних зірок, що зливаються, повинні показати, що відбувається з матерією під час екстремальних тисків, які виникають під час таких злиттів. Якщо ви візьмете трохи води й стиснете її поршнем, вона стиснеться, коли молекули зсунуться ближче одна до одної.

Якщо ви продовжите нарощувати тиск, ви досягнете точки, де атоми руйнуються та утворюють надщільний суп із нейтронів і протонів. Єдине місце у Всесвіті, де це відбувається, — це нейтронні зірки, зруйновані залишки згорілих зірок, і це створює вражаючу щільність — одна чайна ложка такого матеріалу важить кілька сотень мільярдів кілограмів. Але що станеться, якщо ви продовжите збільшувати тиск? Навіть астрофізики не знають відповіді на це питання.

Щільність у серці нейтронних зірок у три-п’ять разів вища, ніж у атомного ядра; це найвища щільність, яку можна досягти до того, як утвориться чорна діра . Ніхто не знає, що відбувається з матерією при таких екстремальних густинах.

Одна теорія стверджує, що надщільний суп нейтронів і протонів розкладеться на суп кварків і глюонів — найбільш фундаментальних будівельних блоків матерії.

«Деякі дослідники вважають, що кваркові фази з’являться в центрі нейтронних зірок», — говорить Шигехіро Нагатакі з астрофізичної лабораторії Великого вибуху RIKEN . «Але це припущення».

Багатообіцяючим способом дізнатися, чи існує ця дивна форма матерії, є спостереження за злиттям двох нейтронних зірок за допомогою детекторів гравітаційних хвиль. Якщо він дійсно існує, є дві можливості того, як протони та нейтрони розпадуться на складові кварки під час злиття. Вони можуть пройти різкий перехід, подібно до того, як рідка вода перетворюється на пару в точці кипіння за нормального тиску. Або може відбутися нечіткий перехід, аналогічний тому, як вода перетворюється на пару за тиску вище критичної точки.

Тепер Нагатакі та його колеги стимулювали злиття двох нейтронних зірок і розрахували гравітаційні хвилі, які вони створюватимуть, щоб дослідити другу можливість.

Частота гравітаційних хвиль від злиття нейтронних зірок зазвичай залежить від того, наскільки швидко обертається нейтронна зірка. Більші нейтронні зірки зазвичай обертаються повільніше, і навпаки. Команда виявила, що можна дослідити, чи існує кваркова фаза в нейтронній зірці, аналізуючи частоту її гравітаційних хвиль. Якщо вона існує, гравітаційні хвилі також можуть виявити, як з’являється кваркова фаза.

У той час як поточні детектори гравітаційних хвиль не можуть виявити це, наступне покоління детекторів, які з’являться в мережі в найближче десятиліття або близько того, повинно це зробити.

«Дивно думати, що ми зможемо визначити тип переходу за допомогою виявлення гравітаційних хвиль», — каже Нагатакі.