Самые массивные нейтронные звезды, вероятно, имеют кварковое ядро

Атомы состоят из трех частей: протонов, нейтронов и электронов. Электроны — это тип фундаментальных частиц, но протоны и нейтроны — это составные частицы, состоящие из верхних и нижних кварков. У протонов есть 2 верхних и 1 нижний, а у нейтронов 2 нижних и 1 верхний. Из-за экзотической природы сильного взаимодействия эти кварки всегда связаны друг с другом, поэтому они никогда не могут быть по-настоящему свободными частицами, такими как электроны, по крайней мере, в вакууме пустого пространства. Но новое исследование в Природные коммуникации Он обнаруживает, что они могут освободиться внутри сердец нейтронных звезд.

Нейтронные звезды — это остатки крупных звезд. Это последняя попытка предотвратить коллапс ядра звезды в черную дыру. После того, как все ядерное топливо плотного ядра израсходовано, единственное, что может противостоять гравитации, — это квантовое давление нейтронов. Здесь все усложняется.

Простая модель нейтронной звезды утверждает, что ее ядро ​​заполнено нейтронами, которые вот-вот схлопнутся. Они могут сталкиваться друг с другом с огромной энергией, но они все равно остаются нейтронами. Кварки внутри связаны настолько прочно, что нейтроны не могут разорваться. Но некоторые утверждают, что на этом гравитационном краю нейтроны могут распадаться, позволяя их кваркам стекаться вместе, образуя своего рода кварковый суп. Это означает, что нейтронные звезды могут содержать плотные кварковые ядра.

К сожалению, мы не можем проводить эксперименты на нейтронных звездах и не можем создать плотную ядерную материю нейтронной звезды на Земле, но у нас есть представление о том, как ведет себя плотная ядерная материя через ее уравнение состояния. Уравнение состояния — это способ расчета объемных свойств материи, а для нейтронных звезд уравнение состояния известно как уравнение Толмана-Оппенгеймера-Волкова (TOV). Единственная проблема заключается в том, что TOV — невероятно сложное уравнение, и если вы воспользуетесь им, чтобы вычислить, есть ли у нейтронных звезд кварковые ядра, ответ вы получите… возможно.

В этом новом исследовании команда применила другой подход. Вместо выполнения вычислений по уравнению состояния они взяли данные наблюдений о массе и размере нейтронных звезд и применили байесовскую статистику. Этот статистический метод изучает закономерности наблюдений и экстраполирует возможные сценарии точным, но эффективным способом. При этом, если нейтронные звезды имеют кварковое ядро, они немного плотнее, чем нейтронные звезды без кваркового ядра. Поскольку небольшие нейтронные звезды, вероятно, не содержат кварковых ядер, а более массивные нейтронные звезды, вероятно, содержат, в байесовском анализе должен возникнуть сдвиг в отношениях между массой и плотностью.

Команда обнаружила, что массивные нейтронные звезды с массой больше двух солнц имеют вероятность наличия кваркового ядра от 80% до 90%. Похоже, что настоящий вопрос не в том, существуют ли кварковые звезды, а в том, где происходит переход между кварковыми звездами и обычными нейтронными звездами.

Честно говоря, этот анализ был основан на довольно небольшой выборке данных. В настоящее время мы не знаем массу и радиус большинства нейтронных звезд, но со временем это изменится. Имея больше данных, мы сможем определить критический фазовый переход между кварковой материей и нейтронной плотной материей. Но на данный момент мы можем быть вполне уверены, что некоторые нейтронные звезды еще более странны, чем мы когда-либо могли себе представить.