Получени са убедителни доказателства за съществуването на екзотичен вид материя вътре в неутронните звезди

Неутронните звезди са едни от най-интересните звездни обекти във Вселената. Учените имат вече нови доказателства, че ядрата на най-масивните неутронни звезди се състоят от екзотична „супа“ от субатомни частици, наричани кварки. Физиците са провели нови пресмятания, използвайки данните от гравитационните вълни, които за пръв път бяха засечени в резултат на сблъсъка на неутронни звезди през август 2017 година, а също така от наблюденията на удивително масивни звезди. Полученият резултат е изключително впечатляващ и намеква, че ядрата на неутронните звезди са толкова плътни, че атомните ядра престават да съществуват, кондензирайки в кваркова материя.

По думите на изследователите, това е важен етап в разбирането на странните особености на тези екстремални обекти.

„Потвърждение за съществуването на кварковите ядра вътре в неутронните звезди беше едно от най-важните цели във физиката на тези звездни обекти“ – казва Алекси Вуоринен, физик-теоретик от Хелзинкския университет.

Неутронните звезди са удивителни обекти. Всъщност те са „мъртви“, тъй като са разрушени остатъци от масивни звезди с маса между 8 и 30 слънчеви маси. Когато тези звезди станат свръхнови, по-голямата част от тяхната маса се изхвърля в космоса, а оставащото ядро се превръща в невероятно плътен обект.

Получените в резултат на тези процеси неутронни звезди имат маса между 1,1 и 2 слънчеви маси, опаковани в малка сфера с диаметър само от 10-20 километра.

Когато се случва избухване на свръхнова, протоните и електроните в атомите, които са в обекта, се свиват в неутрони и неутрино. Неутрино отлитат, оставяйки неутроните в условия на свръхвисоко налягане. В резултат на това те се сливат в едно цяло, правейки неутронната звезда всъщност едно голямо ядро, плътността на което е около 100 трилиона пъти по-висока от тази на водата.

Предполага се, че плътността ще се увеличава с навлизането към центъра на звездата. Именно тук възниква идеята за ядрата от кваркова материя. Кварките са фундаментални субатомни частици, които се обединяват, образувайки такива елементарни частици като протоните и неутроните.

В продължение на няколко десетилетия астрономите изказваха хипотезата, че при достатъчно висока температура и плътност неутроните се разпадат на кварки, създавайки тази „супа“ от кварки.

Но винаги е било много трудно да се разбере, какво съдържа ядрото на неутронната звезда. Именно затова сблъсъкът през август 2017 година, който беше отбелязан като обект GW170817, беше изключително важен за астрономите и астрофизиците, тъй като промяната в двете звезди, когато те се приближиха достатъчно близко една до друга за да се деформират гравитационно, можеше да разкрие информация за тяхната вътрешна структура.

Вуоринен и екипът му са използвали този гравитационно-вълнов сигнал заедно с новите теоретически разработки и резултатите от изследванията на елементарните частици, за да проведат необходимите пресмятания. Те установили, че неутронните звезди , които са в горната част на границите на масите на такива обекти, тоест по-големи от 2 слънчеви маси, демонстрират характеристики, които показват наличието на огромно ядро от кваркова материя в част по-голяма от половината диаметър на неутронната звезда.

Откритието на материята от кварки вътре в неутронните звезди не само е удивителен факт, но и ще помогне да разберем повече за най-ранните моменти на нашата Вселена.

Космолозите смятат, че в период от няколко микросекунди след Големия взрив, известен като епохата на кварките, Вселената е била запълнена с гореща „супа“ от кварк-глюонна плазма, която бързо се е сливала с адроните.

В наши дни можем само в много малък промеждутък от време да наблюдаваме кваркова материя при експериментите, провеждани в колайдер, но някои масивни неутронни звезди най-вероятно я съдържат. Ако ние можем да характеризираме условията в неутронните звезди, при които се образува такава кваркова материя, това би помогнало да се разбере по-точно епохата на кварките. Започвайки с GW170817, колаборацията LIGO-Virgo откри второ сливане на неутронни звезди и е само въпрос на време, преди да постъпят нови данни. Анализът на новите сливания може да помогне на екипа да потвърди своите резултати и да намали съществуващата известна неопределеност.

„Има основания да се предполага, че златният век на гравитационно-вълновата астрофизика започва сега и скоро ние ще станем свидетели на още много подобни пробиви в нашите разбирания за природата“ – резюмира Вуоринен.

Изследването е публикувано в Nature Physics.