Обнаружен новый тип материи внутри нейтронных звезд

Финская исследовательская группа обнаружила убедительные доказательства присутствия экзотической кварковой материи в ядрах самых больших из существующих нейтронных звезд. Они пришли к этому выводу, объединив последние результаты теоретической физики частиц и ядерной физики с измерениями гравитационных волн от столкновений нейтронных звезд.

Все нормальное вещество, окружающее нас, состоит из атомов, чьи плотные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, окружены отрицательно заряженными электронами.

Однако известно, что внутри нейтронных звезд атомная материя коллапсирует в чрезвычайно плотную ядерную материю, в которой нейтроны и протоны упакованы так плотно, что всю звезду можно считать одним огромным ядром.

До сих пор оставалось неясным, коллапсирует ли ядерная материя в ядрах самых массивных нейтронных звезд в еще более экзотическое состояние, называемое кварковым веществом, в котором сами ядра больше не существуют. Исследователи из Хельсинкского университета теперь утверждают, что ответ на этот вопрос — да. Новые результаты были опубликованы в журнале Nature Physics.

«Подтверждение существования кварковых ядер внутри нейтронных звезд было одной из самых важных целей физики нейтронных звезд с тех пор, как эта возможность впервые появилась примерно 40 лет назад», — говорит профессор Алекси Вуоринен из Физического факультета Хельсинкского университета.

Существование очень вероятно

Поскольку даже крупномасштабное моделирование на суперкомпьютерах не позволяет определить судьбу ядерной материи внутри нейтронных звезд, финская исследовательская группа предложила новый подход к этой проблеме.

Они поняли, что, объединив последние открытия теоретической физики частиц и ядерной физики с астрофизическими измерениями, можно было бы вывести характеристики и идентичность материи, находящейся внутри нейтронных звезд.

Согласно результатам исследования, материя, находящаяся внутри ядер наиболее массивных стабильных нейтронных звезд, имеет гораздо более близкое сходство с кварковой материей, чем с обычной ядерной материей.

Расчеты показывают, что в этих звездах диаметр ядра, идентифицируемого как кварковая материя, может превышать половину диаметра всей нейтронной звезды. Однако Алекси Вуоринен указывает, что все еще существует много неопределенностей, связанных с точной структурой нейтронных звезд. Что значит утверждать, что кварковая материя почти наверняка была открыта?

-Есть еще небольшой, но ненулевой шанс, что все нейтронные звезды состоят только из ядерной материи. Однако нам удалось лишь количественно оценить, что потребуется для этого сценария. Короче говоря, поведение плотной ядерной материи тогда должно было бы быть действительно своеобразным. Например, скорость звука должна была бы достигать почти скорости света», — объясняет Алекси Вуоринен.

Определение радиуса по наблюдениям гравитационных волн

Ключевым фактором, способствующим новым открытиям, стало появление двух последних результатов в наблюдательной астрофизике: измерение гравитационных волн от слияния нейтронных звезд и обнаружение очень массивных нейтронных звезд с массами, близкими к двум солнечным массам.

Осенью 2017 года обсерватории LIGO и Virgo впервые обнаружили гравитационные волны, генерируемые двумя сливающимися нейтронными звездами.

Это наблюдение установило строгий верхний предел для величины, называемой приливной деформируемостью, которая измеряет восприимчивость структуры вращающейся звезды к гравитационному полю ее спутника.

Этот результат впоследствии был использован для получения верхнего предела радиусов сталкивающихся нейтронных звезд, который оказался равен примерно 13 км.

Хотя первое наблюдение нейтронной звезды относится к 1967 году, точные измерения массы этих звезд были возможны только в течение последних 20 лет или около того. Большинство звезд с точно известными массами попадают в окно между 1 и 1,7 солнечными массами, но в последнее десятилетие мы стали свидетелями обнаружения трех звезд, либо достигающих, либо, возможно, даже немного превышающих предел двух солнечных масс.

Ожидаются дальнейшие наблюдения

Несколько вопреки здравому смыслу, информация о радиусах и массах нейтронных звезд уже значительно уменьшила неопределенность, связанную с термодинамическими свойствами вещества нейтронных звезд. Это также позволило завершить анализ, представленный финской исследовательской группой.

В новом анализе астрофизические наблюдения были объединены с современными теоретическими результатами физики элементарных частиц и ядерной физики.

Это позволило получить точный прогноз для того, что известно как уравнение состояния вещества нейтронной звезды, которое относится к соотношению между ее давлением и плотностью энергии.

Неотъемлемой составляющей этого процесса был хорошо известный результат из общей теории относительности, который связывает уравнение состояния с отношением между возможными значениями радиусов и масс нейтронных звезд.

С осени 2017 года было отмечено несколько новых слияний нейтронных звезд, и LIGO и Virgo быстро стали неотъемлемой частью исследований нейтронных звезд.

Именно это быстрое накопление новой наблюдательной информации играет ключевую роль в повышении точности новых выводов ученых и в подтверждении существования кварковой материи. внутри нейтронных звезд.

Поскольку в ближайшем будущем ожидаются дальнейшие наблюдения, неопределенность, связанная с новыми результатами, также автоматически уменьшится.

«Есть основания полагать, что золотой век гравитационно-волновой астрофизики только начинается, и что вскоре мы станем свидетелями еще многих подобных скачков в нашем понимании природы», — говорит Алекси Вуоринен.

Eemeli Annala et al, Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-0914-9