Атоми складаються з трьох речей: протонів, нейтронів і електронів. Електрони є типом фундаментальних частинок, але протони та нейтрони є складними частинками, що складаються з верхніх і нижніх кварків. Протони мають два підйоми і один спад, тоді як нейтрони мають два падіння і один підйом.

Через цікаву природу сильної сили ці кварки завжди пов’язані один з одним, тому вони ніколи не можуть бути справді вільними частинками, як електрони, принаймні у вакуумі порожнього простору. Але нове дослідження в Nature Communications виявило, що вони можуть звільнитися в серцях нейтронних зірок.

Нейтронні зірки — це залишки великих зірок. Це остання відчайна спроба утримати зіркове ядро ​​від колапсу в чорну діру. Після того, як все ядерне паливо щільного ядра буде витрачено, єдине, що може протистояти гравітації, — це квантовий тиск нейтронів. І тут все ускладнюється.

Проста модель нейтронної зірки передбачає, що її ядро ​​наповнене нейтронами на межі колапсу. Вони можуть штовхатися один проти одного з величезною енергією, але вони все ще нейтрони.

Кварки в них зв’язані надто міцно, щоб нейтрони могли розпатися. Але деякі стверджують, що на цьому гравітаційному краю нейтрони можуть розслабитися, дозволяючи їхнім кваркам злитися разом у своєрідний кварковий суп. Це означатиме, що нейтронні зірки можуть мати щільне кваркове ядро.

На жаль, ми не можемо проводити експерименти на нейтронних зірках, а також не можемо створити щільну ядерну матерію нейтронної зірки на Землі, але ми маємо певне уявлення про те, як поводиться щільна ядерна матерія через її рівняння стану.

Рівняння стану — це спосіб обчислення об’ємних властивостей матеріалу, і для нейтронних зірок це рівняння стану відоме як рівняння Толмена-Опенгеймера-Волкова (TOV). Єдина проблема полягає в тому, що TOV — це неймовірно складне рівняння, і якщо ви використовуєте його, щоб обчислити, чи мають нейтронні зірки кваркове ядро, ви отримаєте відповідь… можливо.

Для цього нового дослідження команда застосувала інший підхід. Замість того, щоб збивати рівняння розрахунків стану, вони взяли дані спостережень щодо маси та розміру нейтронних зірок і застосували статистику Байєса. Цей статистичний метод вивчає моделі спостереження та екстраполює ймовірні сценарії в тонкий, але потужний спосіб.

У цьому випадку, якщо нейтронні зірки мають кваркове ядро, то вони трохи більш щільні, ніж нейтронні зірки без кваркового ядра. Оскільки малі нейтронні зірки, ймовірно, не мають кваркових ядер, тоді як наймасивніші нейтронні зірки, ймовірно, мають, зрушення у відношенні маси до густини повинно виявлятися в байєсівському аналізі.

Команда виявила, що масивні нейтронні зірки, маси яких перевищують два Сонця, мають близько 80-90 відсотків ймовірності мати кваркові ядра. Здається, справжнє питання полягає не в тому, чи існують кваркові зірки, а скоріше в тому, де відбувається перехід між кварковими зірками та звичайними нейтронними зірками.

Чесно кажучи, цей аналіз ґрунтувався на досить невеликій вибірці даних. Зараз ми не знаємо як маси, так і радіуса більшості нейтронних зірок, але з часом це зміниться. Маючи більше даних, ми зможемо визначити критичний фазовий зсув між кварковою матерією та щільною нейтронною матерією. Але наразі ми можемо бути досить впевнені, що деякі нейтронні зірки набагато дивніші, ніж ми собі уявляли.

Можливо, вчені ближче, ніж будь-коли, до розгадки таємниці того, що лежить глибоко під поверхнею мертвих надщільних зірок, які називаються нейтронними зірками. Новий суперкомп’ютерний аналіз нейтронних зірок показав, що існує від 80% до 90% ймовірності того, що ці тіла мають ядра, наповнені вільними кварками, які є фундаментальними, субатомними частинками, як правило, лише пов’язаними разом в інших частинках, таких як протони та нейтрони. 

Самі протони і нейтрони збираються разом, утворюючи ядра атомів, навколо яких знаходяться електрони. Але, на думку команди, якщо ядра нейтронних зірок справді повні вільних кварків, вони складатимуться з екзотичної форми матерії, відомої як «холодна кваркова матерія». А в холодній кварковій матерії окремі протони і нейтрони існувати не можуть. Отже, атоми не можуть існувати. Тільки кварки.

Якщо це правда, це зробило б нейтронні зірки схожими на неймовірно величезні атомні ядра.

«Це захоплююче конкретно спостерігати, як кожне нове спостереження нейтронної зірки дозволяє нам виводити властивості матерії нейтронної зірки зі зростаючою точністю», — провідний автор дослідження Йоонас Неттіла, який збирається обійняти посаду доцента в Університеті Гельсінкі. , йдеться в повідомленні. 

Нейтронні зірки народжуються, коли зірки з масою, що в 10-20 разів перевищує масу Сонця, закінчуються паливом, необхідним для власного ядерного синтезу, що відбувається в їх ядрах. Це призводить до припинення зовнішньої енергії, яка протягом мільйонів або навіть мільярдів років утримувала зірку стабільною проти внутрішнього тиску її власної гравітації. 

Гравітація перемагає в цьому космічному перетягуванні канату, ядро ​​зірки починає руйнуватися. Коли це відбувається, зовнішній матеріал зірки, де все ще відбувається ядерний синтез, зноситься під час потужного вибуху наднової.

Таким чином, зоряне ядро ​​має масу в один-два рази більшу за масу Сонця, конденсуючись до ширини лише близько 12 миль (20 кілометрів).

Це величезне зменшення розміру того, що зараз є нейтронною зіркою, створює матерію, яка настільки щільна, що її блок розміром із кубик цукру важив би близько 1 мільярда тонн, якби його доставили на Землю. Це кубик цукру, який важить як 3000 Емпайр-Стейт-Білдінг. 

Отже, питання полягає в тому, з чого зроблена ця неймовірно екзотична матерія, якої, можливо, більше ніде у Всесвіті немає? І, загалом, чи можуть умови в найщільніших областях цих мертвих зірок справді створити абсолютно нову фазу матерії, яка називається холодною кварковою матерією, позбавленою протонів і нейтронів? 

Вчені не можуть відвідати нейтронні зірки, щоб отримати зразок цього матеріалу; навіть найближчі нейтронні зірки знаходяться на відстані близько 400 світлових років від нас, тож найкраще змоделювати умови під поверхнею зірок за допомогою потужної комбінації фактичних астрономічних даних і суперкомп’ютерів.

У цьому новому дослідженні використовувався тип статистичного висновку, який називається байєсівським висновком, який обчислює ймовірність різних параметрів моделі шляхом прямого порівняння з даними спостережень.  

Це дозволило команді визначити межі для матерії нейтронної зірки, дозволивши екіпажу зробити висновок про наявність холодної кваркової матерії з високим ступенем ймовірності. Механізм також припустив, що в нейтронних зірках існує «без’ядерний» стан матерії, в якому кварки можуть існувати «розмежовано» в протонах, нейтронах та інших частинках. 

«Кварки та глюони, що входять до їх складу, натомість звільнені від типового кольорового обмеження та можуть рухатися майже вільно», — сказав у заяві Алексі Вуорінен, професор теоретичної фізики з Університету Гельсінкі.

Суперкомп’ютерне моделювання, проведене командою, також показує, що ймовірність того, що речовина всередині нейтронних зірок швидко змінюється з ядерної матерії на «кваркову», становить менше 20%, майже як вода перетворюється на лід. Така швидка зміна речовини може дестабілізувати нейтронні зірки таким чином, що навіть крихітна кваркова речовина може колапсувати, утворюючи чорну діру. 

Дослідження також показало, що існування ядер кваркової матерії може бути повністю підтверджено в майбутньому шляхом подальшого аналізу. 

Ключем до цього буде визначення сили фазового переходу від ядерної матерії до кваркової матерії, що може стати можливим, коли детектори гравітаційних хвиль стануть достатньо чутливими, щоб «чути» крихітні брижі в просторі-часі, що виникають з останнього моменту перед двома нейтронними зірками. стикаються один з одним. 

Тим не менш, навіть з покращеними даними спостережень, кращі моделі ядер нейтронних зірок все одно вимагатимуть величезної кількості обчислювальних ресурсів і часу. 

«Нам довелося використати мільйони процесорних годин суперкомп’ютерного часу, щоб мати можливість порівняти наші теоретичні прогнози зі спостереженнями та обмежити ймовірність ядер із кваркової матерії», — сказав Йоонас Хірвонен, член команди та аспірант Гельсінського університету. заяву. Дослідження команди було опубліковано в грудні в журналі Nature Communications.