Атомы состоят из трех частей: протонов, нейтронов и электронов. Электроны — это тип фундаментальных частиц, но протоны и нейтроны — это составные частицы, состоящие из верхних и нижних кварков. У протонов 2 верха и 1 низ, а у нейтронов 2 низа и 1 верх. Из-за любопытной природы сильного взаимодействия эти кварки всегда связаны друг с другом, поэтому они никогда не могут быть по-настоящему свободными частицами, такими как электроны, по крайней мере, в вакууме пустого пространства. Но новое исследование в Природные коммуникации обнаруживает, что они могут освободиться в сердцах нейтронных звезд.
Нейтронные звезды — это остатки крупных звезд. Это последняя попытка удержать звездное ядро от коллапса в черную дыру. После того, как все ядерное топливо плотного ядра израсходовано, единственное, что может противодействовать гравитации, — это квантовое давление нейтронов. И здесь все усложняется.
Простая модель нейтронной звезды предполагает, что ее ядро заполнено нейтронами, которые находятся на грани коллапса. Они могут сталкиваться друг с другом с огромной энергией, но они все равно остаются нейтронами. Кварки внутри них связаны слишком сильно, чтобы нейтроны могли распасться. Но некоторые утверждают, что на этом гравитационном краю нейтроны могут ослабнуть, позволяя их кваркам слиться вместе, образуя своего рода кварковый суп. Это означало бы, что нейтронные звезды могут иметь плотное кварковое ядро.
К сожалению, мы не можем проводить эксперименты на нейтронных звездах и не можем создать плотную ядерную материю нейтронной звезды на Земле, но у нас есть некоторое представление о том, как ведет себя плотная ядерная материя, через ее уравнение состояния. Уравнение состояния — это способ расчета объемных свойств материала, а для нейтронных звезд это уравнение состояния известно как уравнение Толмана-Оппенгеймера-Волкова (TOV). Единственная проблема заключается в том, что TOV — невероятно сложное уравнение, и если вы воспользуетесь им, чтобы вычислить, есть ли у нейтронных звезд кварковое ядро, вы получите ответ… возможно.
В этом новом исследовании команда применила другой подход. Вместо того, чтобы выполнять расчеты по уравнению состояния, они взяли данные наблюдений о массе и размере нейтронных звезд и применили байесовскую статистику. Этот статистический метод рассматривает закономерности наблюдений и экстраполирует вероятные сценарии тонким, но эффективным способом. При этом, если нейтронные звезды имеют кварковое ядро, то они немного более плотные, чем нейтронные звезды без кваркового ядра. Поскольку маленькие нейтронные звезды, вероятно, не имеют кваркового ядра, а самые массивные нейтронные звезды, вероятно, имеют, сдвиг в соотношении масса-плотность должен проявиться в байесовском анализе.
Команда обнаружила, что массивные нейтронные звезды с массой больше двух Солнц имеют вероятность наличия кваркового ядра примерно в 80–90%. Кажется, настоящий вопрос не в том, существуют ли кварковые звезды, а в том, где находится переход между кварковыми звездами и обычными нейтронными звездами.
Честно говоря, этот анализ опирался на довольно небольшую выборку данных. В настоящее время мы не знаем ни массы, ни радиуса большинства нейтронных звезд, но со временем это изменится. Имея больше данных, мы сможем определить критический фазовый сдвиг между кварковой материей и плотной нейтронной материей. Но на данный момент мы можем быть вполне уверены, что некоторые нейтронные звезды гораздо страннее, чем мы себе представляли.
Ссылка: Аннала, Эмели и др. «Сильно взаимодействующая материя демонстрирует деконфецированное поведение в массивных нейтронных звездах». Природные коммуникации 14 (2023): 8451.
