Когда нейтронные звезды танцуют вместе, их грандиозный финальный удар может создать самую плотную известную форму материи во Вселенной. Она называется «кварковая материя», очень странное сочетание освобожденных кварков и глюонов. Неясно, существовало ли это вещество в их ядрах до конца их танца. Однако в диком последствии слияния нейтронных звезд странные условия могут освободить кварки и глюоны от протонов и нейтронов. Это позволяет им свободно перемещаться в дальнейшем. Поэтому исследователи хотят знать, насколько свободно они движутся и какие условия могут препятствовать их движению (или потоку).
Эти странные звезды представляют собой чрезвычайно плотные и странные скопления нейтронов. Поэтому, когда две из них танцуют и сливаются, они меняют форму под давлением слияния. Они также нагреваются. Условия в конечном итоге изменяют состояние материи в их ядрах. По словам профессора Алекси Вуоринена из Университета Хельсинки, Финляндия, именно это, по мнению астрономов, происходит во время слияний нейтронных звезд. Однако он отмечает, что никто до конца не понимает этих условий и того, как ведут себя в них кварки. «Описание слияний нейтронных звезд является особенно сложной задачей для теоретиков, потому что все традиционные теоретические инструменты, похоже, так или иначе выходят из строя в этих зависящих от времени и действительно экстремальных системах», — сказал он.
Как столкновения нейтронных звезд приводят к появлению кварков
В космическом зоопарке нейтронные звезды — одни из самых странных обитателей. Это сильно намагниченные остатки старых сверхмассивных звезд, погибших во взрывах сверхновых. Катастрофический коллапс умирающей звезды создает сплошной шар нейтронов там, где когда-то было ядро звезды. Некоторые из них вращаются очень быстро и посылают сигналы в космос. Пульсар в Крабовидной туманности — хороший пример такого объекта. Его ядро вращается примерно 30 раз в секунду, а его сигнал проявляется в виде регулярных импульсов в радиочастотах, гамма- и рентгеновских длинах волн. Вот почему его называют «пульсаром».
Когда нейтронные звезды сливаются, они, очевидно, смешивают и перемешивают свое содержимое. Исследователи хотят знать вязкость материала, созданного при слиянии. По сути, это будет мерой того, насколько сильно взаимодействия частиц будут сопротивляться течению. Или представьте себе это как измерение того, насколько «липким» будет течение кваркового супа. Густой кварковый суп будет течь медленнее, а жидкий — быстрее. Идея состоит в том, чтобы понять условия и то, как они влияют на течение кварков во время слияния.
Теории о липких кварках
Исследователи хотят определить так называемую «объемную вязкость» материала, созданного во время слияния нейтронных звезд. По сути, объемная вязкость описывает потерю энергии, когда система, вовлеченная в слияние, испытывает радиальные колебания. Они показывают, как плотность кварков-глюонов изменяется регулярным, периодическим образом. Вуорнин и его коллеги решили определить объемную вязкость кварковой материи, вовлеченной в такое столкновение. Они изучили проблему, используя два теоретических метода: один из них использует принципы голографии, а другой — квантовое поле, называемое теорией возмущений.
По сути, голографический подход рассматривает проблему кварковой материи как фактор плотностей и температур, которые возникают во время столкновений нейтронных звезд. Команда интересуется тем, что называется «квантовой хромодинамикой». Это изучение взаимодействий между кварками и глюонами в материале, созданном столкновением.
Теория возмущений рассматривает силу взаимодействия между этими частицами. Применив оба метода, команда смогла охарактеризовать объемную вязкость, то есть «липкость» кварковой материи. Затем они смогли выяснить, что ее липкость возникает при более низких, чем ожидалось, температурах. Это большой шаг вперед в понимании поведения материи нейтронных звезд во время слияний. «Эти результаты также могут помочь в интерпретации будущих наблюдений. Например, мы могли бы искать вязкие эффекты в будущих данных по гравитационным волнам, и их отсутствие могло бы раскрыть создание кварковой материи в слияниях нейтронных звезд», — добавляет преподаватель университета Нико Йокела.
Использование физики и квантовой теории для изучения нейтронной звезды
Никто никогда не был внутри странной вселенной внутри нейтронной звезды. Однако, это должно быть одно из самых странных мест в космосе. Как уже упоминалось, они состоят просто из нейтронов — комбинаций протонов и электронов. В отличие от большинства звезд, они не излучают тепло, и любое остаточное тепло, которое они содержат, рассеивается со временем. Эти странные объекты действительно обладают чрезвычайно сильными магнитными полями.
Нейтронные звезды невероятно плотные. Даже небольшое количество их материала (размером с обычный кошелек) весило бы около 3 миллиардов тонн. Это делает эти странные звезды вторыми по плотности объектами во Вселенной после сверхмассивных черных дыр. Астрономы и физики частиц интересуются ими, потому что они могут дать представление о таких темах, как сверхпроводимость, поведение плотных жидкостей и о теме, называемой квантовой хромодинамикой. Изучение столкновений этих сверхплотных объектов также дает представление о росте этих объектов после их первоначального образования в катастрофических взрывах сверхновых.
Для получения дополнительной информации
Слияния нейтронных звезд проливают свет на тайны кварковой материи
Оценка объемной вязкости сильно связанной кварковой материи с использованием пертурбативной КХД и голографии
Квантовая хромодинамика
