Во время слияния нейтронных звезд звезды быстро меняют форму и нагреваются, что приводит к изменению состояния вещества внутри них. В результате слияния также может образоваться кварковая материя, в которой элементарные частицы кварки и глюоны, обычно заключенные в протоны и нейтроны, высвобождаются и могут свободно перемещаться. Согласно исследованиям, вязкость кварковой материи достигает максимума при значительно более низких температурах, чем ядерная материя. Фото предоставлено: Университет Уорика/Марк Гарлик
Нейтронные звезды — это остатки старых звезд, у которых закончилось ядерное топливо и которые пережили взрыв сверхновой и последующий гравитационный коллапс. Хотя их столкновения – или слияния двойных звезд – редки, когда происходят эти массивные события, они могут разрушить само пространство-время и создать гравитационные волны, которые можно обнаружить на Земле на расстоянии сотен миллионов световых лет.
Во время слияния нейтронных звезд звезды быстро меняют форму и нагреваются, что приводит к изменению состояния вещества внутри них. В результате слияния также может образоваться кварковая материя, в которой элементарные частицы кварки и глюоны, обычно заключенные в протоны и нейтроны, высвобождаются и могут свободно перемещаться.
Профессор Алекси Вуоринен из Хельсинкского университета объясняет, как за последние годы значительно выросло наше понимание свойств отдельных нейтронных звезд. Однако то, что происходит при самых высоких плотностях или в динамических средах, до сих пор до конца не изучено.
«Описание слияний нейтронных звезд представляет собой особую проблему для теоретиков, поскольку все традиционные теоретические инструменты, похоже, так или иначе не работают в этих зависящих от времени и поистине экстремальных системах», — объясняет Вуоринен.
Определение объемной вязкости на основе теории струн и пертурбативной КХД
Ключевым понятием в изучении слияний нейтронных звезд является объемная вязкость вещества нейтронной звезды. Он описывает, насколько сильно взаимодействия частиц сопротивляются потоку в системе.
Совместно со своими зарубежными коллегами исследователям Хельсинкского университета удалось определить объемную вязкость плотной кварковой материи, объединив два разных теоретических метода. Один из использованных подходов был основан на теории струн, а другой — на теории возмущений — классическом методе квантовой теории поля.
В общем, разные вязкости описывают, насколько «липким» является течение конкретной жидкости. Наиболее известным примером является сдвиговая вязкость, влияние которой можно наблюдать в потоке таких веществ, как мед и вода: мед течет медленно, поскольку он имеет высокую вязкость, а вода течет быстрее из-за ее более низкой вязкости.
С другой стороны, объемная вязкость описывает потери энергии в системе, которая подвержена радиальным колебаниям, т.е. плотность которой периодически увеличивается и уменьшается. Именно такие колебания происходят в нейтронных звездах и их слияниях, что делает объемную вязкость важнейшим коэффициентом переноса при слиянии нейтронных звезд.
В их исследовании, недавно опубликованном в журнале Physical Review Letters, объемная вязкость кварковой материи определялась двумя способами: с использованием так называемой дуальности AdS/CFT, обычно называемой голографией, и теории возмущений.
В голографии свойства сильно связанных квантовых теорий поля определяются путем изучения гравитации в многомерном искривленном пространстве. В случае кварковой материи это позволяет описывать систему при плотностях и температурах, обнаруженных в столкновениях нейтронных звезд, где взаимодействия квантовой хромодинамики (КХД), теории сильного ядерного взаимодействия, очень сильны. Однако по техническим причинам этот метод не может описать КХД напрямую, а скорее исследует феноменологическую модель с очень похожими свойствами.
Другой метод, использованный в новой работе, теория возмущений, возможно, является наиболее широко используемым инструментом в теоретических исследованиях в области физики элементарных частиц. В этом подходе физические величины определяются как степенной ряд по константе связи теории, описывающей силу взаимодействия. Этот метод может напрямую описать КХД, но применим только при плотностях, значительно превышающих плотности нейтронных звезд.
К радости исследователей, оба метода дали очень схожие результаты, подтверждая теорию о том, что в кварковой материи пик вязкости приходится на значительно более низкие температуры, чем в ядерной материи.
«Эта информация помогает нам понять поведение вещества нейтронной звезды во время слияния нейтронных звезд», — говорит научный сотрудник Академии Ристо Паателайнен из Хельсинки.
«Эти результаты также могут быть полезны при интерпретации будущих наблюдений. Например, мы могли бы искать вязкие эффекты в будущих данных о гравитационных волнах, а их отсутствие могло бы выявить образование кварковой материи во время слияний нейтронных звезд», — добавляет преподаватель университета Нико Йокела.
Информация от: Хельсинкским университетом
