Представление художника о различных слоях внутри массивной нейтронной звезды: красный круг представляет собой значительное ядро из кварковой материи. Фото: Юрки Хокканен, CSC
Ядра нейтронных звезд содержат материю с самой высокой плотностью, достигнутой в нашей современной Вселенной: целых две солнечные массы материи сжаты внутри сферы диаметром 25 км. Эти астрофизические объекты действительно можно рассматривать как гигантские атомные ядра, гравитация которых сжимает их ядра до плотностей, во много раз превышающих плотности отдельных протонов и нейтронов.
Такая плотность делает нейтронные звезды интересными астрофизическими объектами с точки зрения физики элементарных частиц и ядерной физики. Давняя открытая проблема заключается в том, может ли огромное центральное давление нейтронных звезд сжимать протоны и нейтроны в новую фазу материи, известную как холодная кварковая материя. В этом экзотическом состоянии материи отдельные протоны и нейтроны больше не существуют.
«Их составляющие кварки и глюоны вместо этого освобождаются от своего типичного цветового ограничения и могут двигаться почти свободно», — объясняет Алекси Вуоринен, профессор теоретической физики элементарных частиц в Хельсинкском университете.
Сильный фазовый переход все еще может испортить ситуацию
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, команда из Хельсинкского университета предоставила первую в мире количественную оценку вероятности наличия ядер кварковой материи внутри массивных нейтронных звезд. Они показали, что, основываясь на текущих астрофизических наблюдениях, кварковая материя почти неизбежна в самых массивных нейтронных звездах: количественная оценка, полученная командой, помещает вероятность в диапазон 80–90%.
Остающаяся небольшая вероятность того, что все нейтронные звезды состоят только из ядерной материи, требует, чтобы переход от ядерной материи к кварковой был сильным фазовым переходом первого рода, чем-то напоминающим превращение жидкой воды в лед. Такое быстрое изменение свойств материи нейтронной звезды потенциально может дестабилизировать звезду таким образом, что образование даже крохотного ядра из кварковой материи приведет к коллапсу звезды в черную дыру.
Международное сотрудничество между учеными из Финляндии, Норвегии, Германии и США позволило еще раз показать, как существование ядер кварковой материи однажды может быть либо полностью подтверждено, либо исключено. Ключевым моментом является способность ограничить силу фазового перехода между ядерной и кварковой материей, который, как ожидается, станет возможным, как только однажды будет записан гравитационно-волновой сигнал от последней части слияния двойной нейтронной звезды.
Огромный суперкомпьютер работает на основе данных наблюдений
Ключевым моментом в получении новых результатов стал набор массивных суперкомпьютерных вычислений с использованием байесовского вывода — ветви статистической дедукции, в которой можно сделать вывод о вероятности различных параметров модели посредством прямого сравнения с данными наблюдений.
Байесовский компонент исследования позволил исследователям получить новые границы свойств материи нейтронных звезд, продемонстрировав их приближение к так называемому конформному поведению вблизи ядер наиболее массивных стабильных нейтронных звезд.
Доктор Йоонас Няттиля, один из ведущих авторов статьи, описывает эту работу как междисциплинарное усилие, потребовавшее знаний в области астрофизики, физики элементарных частиц и ядерной физики, а также информатики. В мае 2024 года он собирается начать работу в качестве доцента в Хельсинкском университете.
«Интересно видеть, как каждое новое наблюдение нейтронной звезды позволяет нам с возрастающей точностью выводить свойства материи нейтронной звезды».
Йоонас Хирвонен, доктор философии. Студент, работающий под руководством Няттиля и Вуоринен, напротив, подчеркивает важность высокопроизводительных вычислений:
«Нам пришлось использовать миллионы процессорных часов суперкомпьютерного времени, чтобы иметь возможность сравнить наши теоретические предсказания с наблюдениями и ограничить вероятность появления ядер из кварковой материи. Мы чрезвычайно благодарны финскому суперкомпьютерному центру CSC за предоставление нам всех ресурсов. нам нужно!»
Информация от: Хельсинкским университетом
