Атомы состоят из трех элементов: протонов, нейтронов и электронов. Электроны – это разновидность фундаментальных частиц, а протоны и нейтроны – сложные частицы, состоящие из верхних и нижних кварков. У протонов 2 вверху и 1 внизу, а у нейтронов 2 внизу и 1 вверху. Из-за необычной природы сильного взаимодействия эти кварки всегда связаны друг с другом, поэтому они никогда не могут быть по-настоящему свободными частицами, как электроны. По крайней мере в вакууме пустого пространства. Но новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что они могут освобождаться в сердцах нейтронных звезд.
Нейтронные звезды – это остатки больших звезд. Они представляют собой последнюю попытку удержать звездное ядро от коллапса в черную дыру. После того как все ядерное топливо плотного ядра израсходовано, единственное, что может противостоять гравитации, – это квантовое давление нейтронов. И вот тут все становится сложнее.
Согласно простой модели нейтронной звезды, ее ядро заполнено нейтронами, находящимися 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 гравитационном краю нейтроны могут ослабнуть, позволяя своим кваркам слиться в своеобразный кварковый суп. Это означало бы, что нейтронные звезды могут иметь плотное кварковое ядро.
К сожалению, мы не можем проводить эксперименты с нейтронными звездами и не можем создать на Земле такую плотную ядерную материю, как нейтронная звезда, но у нас есть некоторое представление о том, как ведет себя плотная ядерная материя, через ее уравнение состояния.
Уравнение состояния – это способ вычисления объемных свойств материала, и 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 использовать его для расчета того, есть ли у нейтронных звезд кварковое ядро, то ответ будет: “возможно”.
В новом исследовании команда использовала другой подход. Вместо того чтобы мучительно вычислять уравнение 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. В данном случае, если нейтронные звезды имеют кварковое ядро, то их плотность несколько выше, чем у нейтронных звезд без кваркового ядра. Поскольку маленькие нейтронные звезды, скорее всего, не имеют кварковых ядер, а самые массивные нейтронные звезды, вероятно, имеют, сдвиг в зависимости масса-плотность должен проявиться в байесовском анализе.
Команда обнаружила, что массивные нейтронные звезды с массой более двух Солнц имеют кварковые ядра с вероятностью 80-90%. Похоже, что главный вопрос заключается не в том, существуют ли кварковые звезды, а в том, где находится граница между кварковыми звездами и обычными нейтронными звездами.
Справедливости ради стоит отметить, что 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. С получением большего количества данных мы сможем определить критический фазовый сдвиг между кварковой материей и плотной нейтронной материей. Но пока мы можем с уверенностью сказать, что некоторые нейтронные звезды гораздо более странные, чем мы могли себе представить.
Читайте также: Странный быстрый радиовсплеск, зафиксированный телескопом для поиска инопланетян, не поддается объяснению