При столкновении нейтронных звезд происходит много интересного. Теперь ученые придумали, как смоделировать последствия этого события. «Хайтек» рассказывает главное.
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.
Авторы и права: Колбьерн Скарпнес, NTNU
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.
Предоставлено: Университет Гёте во Франкфурте-на-Майне
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
