Химерний стан матерії існує глибоко всередині великих нейтронних зірок

Атоми складаються з трьох частин: протонів, нейтронів та електронів. Електрони – це тип фундаментальних частинок, а протони і нейтрони – це складні частинки, що складаються з кварків, які складаються з нуклонів. Протони мають два висхідних і один низхідний, а нейтрони – два низхідних і один висхідний.

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

Нейтронні зірки – це залишки великих зірок. Вони – відчайдушна спроба втримати зоряне ядро від колапсу в чорну діру. Після того, як все ядерне паливо щільного ядра витрачено, єдине, що може протистояти гравітації – це квантовий тиск нейтронів. І саме тут все ускладнюється.

Різні шари речовини в нейтронній зірці. (Юркі Хокканен, CSC – IT Center for Science Ltd, Фінляндія)

Проста модель нейтронної зорі стверджує, що її ядро заповнене нейтронами, які знаходяться на межі колапсу. Вони можуть штовхатися один з одним з величезною енергією, але вони все ще залишаються нейтронами.

Кварки всередині них зв’язані надто міцно, щоб нейтрони могли розлетітися. Але дехто стверджує, що на цій гравітаційній межі нейтрони можуть послабити зв’язок, дозволивши кваркам злитися разом, утворивши своєрідний кварковий суп. Це означало б, що нейтронні зорі можуть мати щільне кваркове ядро.

На жаль, ми не можемо проводити експерименти з нейтронними зірками, а також не можемо створити на Землі таку щільну ядерну матерію, як у нейтронної зірки, але ми маємо певне уявлення про те, як поводиться щільна ядерна матерія, завдяки її рівнянню стану.

Рівняння стану – це спосіб обчислення об’ємних властивостей матеріалу, і для нейтронних зірок це рівняння стану відоме як рівняння Толмана-Оппенгеймера-Волкова (ТОВ). Єдина проблема полягає в тому, що це неймовірно складне рівняння, і якщо ви використовуєте його для обчислення того, чи мають нейтронні зорі кваркове ядро, відповідь, яку ви отримаєте, буде… “можливо”.

Аналіз показує, що масивні нейтронні зорі, ймовірно, мають кваркові ядра. (Annala, et al., Nature Communications, 2023)

У цьому новому дослідженні команда застосувала інший підхід. Замість того, щоб проводити розрахунки за допомогою рівняння стану, вони взяли спостережні дані про масу і розмір нейтронних зірок і застосували байєсівську статистику. Цей статистичний метод розглядає закономірності спостережень і екстраполює ймовірні сценарії у тонкий, але потужний спосіб.

У цьому випадку, якщо нейтронні зорі мають кваркове ядро, то вони трохи щільніші, ніж нейтронні зорі без кваркового ядра. Оскільки малі нейтронні зорі, ймовірно, не мають кваркових ядер, а наймасивніші нейтронні зорі, ймовірно, мають, зсув у відношенні маси до густини має з’явитися в байєсівському аналізі.

Команда виявила, що масивні нейтронні зорі, тобто зорі з масою, більшою за два Сонця, мають приблизно 80-90 відсотків ймовірності мати кваркові ядра. Схоже, що справжнє питання полягає не в тому, чи існують кваркові зорі, а в тому, де знаходиться перехід між кварковими зорями і звичайними нейтронними зорями.

Справедливості заради слід зазначити, що цей аналіз спирався на досить малу вибірку даних. Наразі ми не знаємо ні маси, ні радіуса більшості нейтронних зірок, але з часом це зміниться. Маючи більше даних, ми зможемо точно визначити критичний фазовий зсув між кварковою матерією і щільною нейтронною матерією.

Але поки що ми можемо бути цілком певні, що деякі нейтронні зорі набагато дивніші, ніж ми собі уявляли.