Глубоко внутри крупных нейтронных звёзд происходят явления, изменяющие характер вещества. 

Атомы состоят из трёх основных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками, в то время как электроны считаются фундаментальными. В обычных условиях кварки всегда связаны друг с другом, они не могут существовать свободно, как электроны. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует, что в нейтронных звездах кварки могут «освободиться».

Нейтронная звезда в представлении художника. Источник: NASA Goddard Space Flight Center)

Нейтронные звёзды являются остатками крупных звёзд. Они представляют собой последнюю стадию эволюции, в которой плотное ядро звезды сопротивляется гравитационному коллапсу, превращаясь в нейтронную звёзду. Когда ядерное топливо истощается, единственным сопротивлением гравитации является квантовое давление нейтронов. Однако модель нейтронной звезды предполагает, что её ядро состоит из нейтронов, находящихся на грани «саморазрушения». В этом состоянии нейтроны могут обладать огромной энергией и взаимодействовать друг с другом, но все же они продолжают оставаться нейтронами благодаря тесной связи между кварками.

Тем не менее, некоторые учёные предполагают, что в условиях крайней гравитации нейтроны «могут расслабиться», позволяя кваркам перемещаться и смешиваться. В таком случае нейтронная звезда может обладать плотным ядром, состоящим из кварков. К сожалению, астрофизикам недоступны прямые эксперименты на нейтронных звёздах, но учёные используют уравнения состояния для аппроксимации и изучения поведения плотного ядерного вещества.

Уравнение состояния — это математический подход к определению ключевых свойств вещества. Для описания нейтронных звёзд применяется уравнение Толмана-Оппенгеймера-Волькогофа (TOV). Но решение этого уравнения сложно, и результаты для наличия кваркового ядра в нейтронных звёздах далеко не однозначные. Условно, при использовании его для понимания, есть ли у нейтронных звёзд ядро из кварков, ответом будет, — «возможно».

В новом исследовании учёные применили байесовскую статистику для оценки вероятности наличия ядра из кварков. Они использовали наблюдательные данные о массе и размере нейтронных звёзд и пришли к выводу, что массивные нейтронные звёзды, массой более двух Солнц, имеют вероятность более 80% обладать ядром из кварков. Это указывает на то, что существует определённый порог массы, после которого нейтронная звезда начинает иметь кварковое ядро.

Эти выводы основаны на небольшом количестве наблюдений и требуют дальнейших исследований с более обширной выборкой данных. При получении дополнительной информации и анализе большего числа нейтронных звёзд учёные смогут точнее определить точный переход от звёзд с ядром из кварков к обычным нейтронным звёздам.

Эти новые открытия расширяют наше понимание Вселенной и помогают разобраться в самых экстремальных её процессах. Они вызывают множество вопросов о природе материи и эволюции звёзд, на которые учёные всё ещё ищут ответы.

Подробнее на iXBT