Физики предсказали последствия «космического свидания» звезд: как ученым это удалось

За исключением черных дыр, нейтронные звезды являются самыми плотными объектами во Вселенной. Как следует из названия, они, в основном, состоят из нейтронов. Однако знания ученых о материи, образующейся при столкновении двух нейтронных звезд, все еще ограничены. Ученые из Университета Гёте во Франкфурте и Азиатско-Тихоокеанского центра теоретической физики в Пхохане разработали модель, которая дает представление о ней в таких экстремальных условиях.

Что такое нейтронные звезды?

После того, как массивные звезды сжигают топливо и взрываются как сверхновые, может образоваться чрезвычайно компактные объекты — нейтронные звезды. Они необычайно плотны. Так, чайная ложка вещества нейтронной звезды будет весить на Земле около 112 млн тонн. При этом они очень малы — средняя нейтронная звезда может поместиться в границы Лондона. А вот в Солнце, ближайшую к нам звезду поместится больше миллиона Земель.

Чтобы достичь такой плотности, придется сжать такое массивное тело, как Солнце, до размеров города вроде Франкфурта. 

На сегодняшний день ученые знают о существовании от 2 000 до 3 000 нейтронных звезд в Млечном Пути. Но считается что их гораздо больше. Их тяжело зафиксировать по многим причинам, начиная с крошечного размера (по всяком случае по астрономическим меркам), до слабой светимости в видимом свете.

Чем они так интересны?

Все объекты во Вселенной состоят из звездного вещества. Однако не все светила синтезируют одни и те же химические элементы. Обычные звезды это фабрики про производству гелия, углерода и других привычных легких элементов.

Для создания более тяжелых, таких как серебро, золото и платина, необходимо столкновение нейтронных звезд.

Какие у ученых вопросы к нейтронным звездам?

Измерить гравитационные волны, небольшие колебания пространства-времени, возникающие при столкновении двух нейтронных звезд, удалось только в 2017 году. Однако состав полученного горячего и плотного продукта слияния точно неизвестен. До сих пор остается открытым вопрос, например, могут ли кварки, которые иначе захватываются нейтронами, появиться в свободной форме после столкновения. Чтобы выяснить это, авторы нового исследования разработали новую модель.

Что сделали исследователи?

В рамках нового исследования ученые расширили модели ядерной физики, которые неприменимы при высоких плотностях. Для этого они использовали метод, который используется в теории струн для описания перехода к плотной и горячей кварковой материи.

Кварк — элементарная частица и фундаментальная составляющая материи. Кварки объединяются в составные частицы, называемые адронами, наиболее стабильными из которых являются протоны и нейтроны, компоненты атомных ядер. 

Авторы исследования использовали математическое соотношение, найденное в теории струн, а именно соответствие между пятимерными черными дырами и сильно взаимодействующим веществом, для описания фазового перехода между плотным ядерным и кварковой материей.

Иными словами, физики использовали пятимерные черные дыры, чтобы рассчитать фазовую диаграмму сильно связанной материи. Это помогло ученым смоделировать слияние нейтронных звезд и возникающие в итоге гравитационные волны.

Кварковое вещество, состоящее из u- и d-кварков, отличается очень высокой энергией Ферми по сравнению с обычным атомарным веществом. Также оно стабильно только при экстремальных температурах и/или давлениях. Это говорит о том, что стабильными кварковыми звездами могут быть только нейтронные с ядром из кварковой материи.

Что они выяснили?

Ученые уже использовали новую модель в компьютерном моделировании. Так они смогли вычислить сигнал гравитационных волн от этих столкновений и показать, что в результате «космического свидания» нейтронных звезд может появиться как горячая, так и холодная кварковая материя.

Напомним, гравитационные волны — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени».

Что дальше?

В будущем ученые надеются, что смогут сравнить модели с будущими гравитационными волнами, измеренными из космоса, чтобы лучше понять кварковую материю в столкновениях нейтронных звезд.

Читать далее:

Археологи официально подтвердили сказания из Библии

Найдена могила «жрицы» Афродиты: ученые показали, что нашли там

Ученые разглядели, что находится на территории столицы майя. Находка их удивила

^{На обложке: University of Warwick/Mark Garlick, СС BY 4.0, via Wikimedia Commons}