Нов теоретичен анализ показва, че масивните неутронни звезди може да крият ядра от несвързана кваркова материя между 80 и 90 %. Резултатът е постигнат с помощта на симулации с мощни суперкомпютри и статистически методи.

След черните дупки, неутронните звезди са най-компактните обекти във Вселената - представете си две слънчеви маси, натъпкани в сфера с диаметър 25 км.

Тъй като цялата материя в една неутронна звезда е опакована толкова плътно, би трябвало всички частици да се държат по един и същи начин според квантовите закони, а неутронните звезди също така може да се разглеждат като едно голямо атомно ядро.

Въпросът е дали името "неутронна звезда" е правилно, тъй като изчисленията показват, че гравитацията компресира звездата толкова силно, че нейната плътност става по-голяма от тази на отделните протони и неутрони.

От известно време астрономите и физиците разглеждат въпроса от какво са направени неутронните звезди, особено масивните неутронни звезди, които имат много силна гравитация.

Възможно ли е налягането да стане толкова голямо, че отделните протони и неутрони вече да не съществуват, а да се разпадат на своите съставни части, кварки и глуони?

Обикновено кварките и глуоните се "свързват по цвят" със своя протон или неутрон и не могат да се появят в природата в свободно състояние, както гласи законът на квантовата хромодинамика.

Цветовете на барионите

За да се разграничат трите вида, в които се въплъщава всеки от 6-те кварки (долен (d), горен (u), странен (s), чаровен (c), дънен (b), върховен (t)), се използва термина "цвят". Разбира се, кварките нямат видим цвят. Цвят или цветен заряд е по-сложен аналог на спина, който характеризира взаимодействието между кварки и глуони. Името на тази характеристика е избрано по аналогия с оптиката, където червения, зеления и синия цвят, когато смесят, дават бял.

Работата е там е, че в рамките на силните взаимодействия е възможно или привличането на две частици с противоположен цвят (цвят и антицвят) или три частици с определена комбинация от цветове, чиято сума дава "бял" цвят, естествено "квантов цвят", а не видим.

Всеки кварк има един от трите цвята, а глуоните - един от 8 цвята или антицвята.

Барионите (от βαρύς, тежки) се състоят от три кварки от трите цвята (или антицвята), образувайки безцветна комбинация. Съществуват около 120 типа бариони, сред тях са ядрените частици (нуклони) - протоните и неутроните. Бариони са и многочислените хиперони - по-тежки и нестабилни частици, получени в последните години в ускорителите на елементарни частици. Имат полуцяло число спин: 1/2, 3/2. Те са фермиони.

Но теоретично съществува екзотична форма на материя, в която кварките могат да се проявят в свободна форма, състояние, което също трябва да е било малко след Големия взрив, точно преди налягането да стане толкова ниско поради разширяването на Вселената, че да могат да се формират протоните и неутроните.

Наскоро Алекси Вуоринен (Aleksi Vuorinen) от Университета на Хелзинки и неговият екип са извършили изчисления върху неутронни звезди, главно за да видят колко вероятно е ядрото на тежките неутронни звезди да се състои от кваркова материя. Резултатът е, че най-тежките неутронни звезди, с вероятност от 80 до 90%, наистина се състоят от кварки, а не от неутрони.

Единственото нещо, което би могло да попречи на тези неутронни звезди да се състоят от кварки, е ако преходът от ядрена материя (протони и неутрони) към кваркова материя е фазов преход от първи ред. Такъв преход би протекъл толкова бързо, че изобщо няма да се образува кваркова звезда, а веднага ще колапсира в черна дупка.

В бъдеще измерванията на гравитационни вълни от сблъскващи се кваркови звезди (вместо от неутронни звезди) може покажат, че има разлика с гравитационните вълни от неутронни звезди. По този начин съществуването на кваркови звезди може да бъде проверено.

Справка:  Annala, E., Gorda, T., Hirvonen, J. et al. Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars. Nat Commun 14, 8451 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44051-y 

Източник: Further evidence for quark matter cores in massive neutron stars, Aleksi Vuorinen, Department of Physics, University of Helsinki

Още по темата

18/05/2023

Физика

Екзотичната кваркова материя може да се открие по гравитационните вълни

21/12/2022

Физика

Нов модел за материята може би се създава при сблъсъци на неутронни звезди (видео)

17/11/2022

Космос

Ново проучване разкрива, че неутронните звезди са като кутия шоколадови бонбони

18/02/2015

Физика

Елементарните частици