Материя в нейтронных звездах может быть самым прочным материалом во Вселенной

Предсказанная ядерная материя в сверхплотных мертвых звездах, называемых нейтронными звездами, может быть самым прочным материалом во Вселенной. Разрушение материала требует применение в 10 миллиардов раз больше силы, чем необходимо для разрушения стали,  сообщают ученые в исследовании в Physical Review Letters.

Нейтронные звезды образуются, когда умирающая звезда взрывается, оставляя за собой богатый нейтронами остаток, который сжимается до крайних пределов мощными гравитационными силами, приводя к появлению материи с причудливыми свойствами.

На глубине около километра ниже поверхности нейтронной звезды атомные ядра сжимаются так близко, что они сливаются в скопления ядерной материи, плотной смеси нейтронов и протонов. Эти, все еще теоретические скопления, как полагают ученые, имеют форму капель, трубок или листов и названы в честь различных типов макаронных изделий, включая ньокки, спагетти и лазанью. Еще глубже в нейтронной звезде ядерная материя полностью берет верх. По сути все ядро ​​мертвой звезды — это ядерная материя, как одно гигантское атомное ядро.

Ядерная «паста» невероятно плотная, примерно в 100 триллионов раз больше плотности воды. Невозможно изучить такой экстремальный материал в лаборатории. Поэтому, исследователи использовали компьютерные симуляции для растягивания листов ядерной «лазаньи» и выяснили, как реагировал материал. Для деформирования материала требовалось огромное давление, а давление, необходимое для того, чтобы сломать его, было больше, чем для любого другого известного материала.

Моделирование показало, что внешняя кора нейтронной звезды также значительно прочнее и плотнее, чем сталь. Но внутренняя кора, где скрывается «ядерная паста», была неизведанной территорией. «Теперь исследователи видят, что внутренняя материя еще плотнее», — говорят ученые.

Физики все еще стремятся найти реальные свидетельства «ядерных макарон». Новые результаты могут дать проблеск надежды. Нейтронные звезды имеют тенденцию вращаться очень быстро и, как следствие, могут излучать рябь в пространстве-времени, называемую гравитационными волнами, которые ученые могли бы обнаружить на объектах, таких как Обсерватория гравитационно-волновой лазерной интерферометрии или LIGO.

Но пространственно-временная рябь будет возникать только в том случае, если кора нейтронной звезды является неровной, а это означает, что она имеет «горы» или возвышенности сверхплотного материала либо на поверхности, либо внутри коры.

«Это очень трудная часть — нам нужна большая гора», — говорит физик Эдвард Браун из Мичиганского государственного университета в Ист-Лансинге. Более жесткая и плотная кора будет поддерживать более крупные «горы», которые могут создавать более мощные гравитационные волны. Но «большой» — здесь это относительный термин. Из-за сильной гравитации нейтронных звезд их горы были бы далеки по высоте от Эвереста, поднимаясь всего лишь на сантиметры, а не на километры.

«Вот где симуляции приходят на помощь, — говорит Браун. Результаты показывают, что нейтронные звезды могут поддерживать «горы» до десятков сантиметров в высоту — достаточно большие, чтобы LIGO могла обнаружить гравитационные волны нейтронных звезд. Если LIGO поймал бы такие сигналы, ученые могли бы оценить размеры гор и подтвердить, что нейтронные звезды имеют сверхплотные материалы в своей коре.

M.E. Caplan, A.S. Schneider and C.J. Horowitz. Elasticity of nuclear pasta. Physical Review Letters. In press, 2018.