Земля - это настоящий оазис в космосе бушующих крайностей, и немногие тела более экстремальны, чем нейтронные звезды. Эти объекты образуются, когда умирают звезды определенной массы, и их ядра разрушаются и втискивают пару масс Солнца в шар размером с город. Внутри атомы, какими мы их знаем, - плотные шарики протонов и нейтронов, окруженные воздушными облаками электронов - перестают существовать. Гравитация сокрушает атомные центры, и нейтроны стоят очень близко друг к другу. Добавьте гораздо больше массы, и звезда упадет в черную дыру, а её атомы исчезнут из поля зрения.
«Нейтронные звезды - это то место, где материя в последний раз выступает против непреодолимой силы гравитации», - пишет Джоселин Рид, астрофизик из Университета штата Калифорния.
В то время как астрономы могут обнаруживать нейтронные звезды различными способами, именно то, что происходит внутри них, остается плохо понятым. Но после десятилетий исследований последние наблюдения и теоретические достижения объединяются, чтобы предположить, что объекты могут нуждаться в «ребрендинге».
Исследование, опубликованное в понедельник в журнале «Nature Physics», предполагает, что некоторые из самых тяжелых звезд могут напоминать нейтронные оболочки, окружающие клейкий центр экзотического вещества, известного как «кварковая материя». Исследователи создали материю кварков в сильных столкновениях частиц, но долго обсуждали, имеют ли нейтронные звезды то, что требуется, чтобы полностью сокрушить субатомные частицы. Заключение команды, если оно будет правильным, представит новое понимание того, как протоны и нейтроны ведут себя под давлением, и может обновить историю о том, как различные металлы попали на Землю.
Нейтронные звезды – это самая экстремальная форма вещества во Вселенной, которую мы можем наблюдать. В экспериментах с низкоэнергетическими коллайдерами (и, соответственно, при низких плотностях вещества) протоны и нейтроны четко отскакивают друг от друга, как бильярдные шары. В этих условиях (при плотности до сотен миллионов тонн на кубический сантиметр) нейтроны соединяются вместе в виде жестких строительных блоков.
Как ни странно, физики знают, что происходит и при невыразимо высоких плотностях. Когда эксперименты с коллайдерами с особенно высокой энергией упаковывают в сотни раз больше частиц, чем их низкоэнергетические аналоги, протоны и нейтроны распадаются. Их внутренности, частицы, известные как кварки и глюоны, полностью разливаются как жидкое вещество, называемое кварк-глюонной плазмой - одной из форм так называемой «кварковой материи».
Но что происходит в плотностях между остается неизвестным. Эксперименты бросают вызов, и математические инструменты терпят неудачу, когда нейтроны становятся мягкими, не тая полностью. И нейтронные звезды падают посреди этой теоретической трещины, побуждая астрофизиков тратить десятилетия на размышления о том, что происходит с нейтронами в их ядрах. Они остаются жесткими, как LEGO? Или они давятся, как виноград, и позволяют своим кваркам течь? (Когда физики говорят о нейтронных звездах, знакомые слова приобретают новые, очень относительные значения. Даже самая легкая, самая холодная, самая дряблая нейтронная звезда будет гораздо плотнее, горячее и жестче, чем что-либо на Земле).
Куркела и его коллеги считают, что, наконец, у них достаточно информации, чтобы соединить точки. Конечная цель исследования нейтронной звезды состоит в том, чтобы точно определить, сколько вещества отталкивается назад при любой заданной плотности и температуре - в основном измеряя, насколько жесткими или мягкими являются нейтроны. Группа рассмотрела более полумиллиона возможных моделей и использовала ряд наблюдений, чтобы оспорить их.
На более плотной стороне астрономы обнаружили здоровенные нейтронные звезды примерно с двумя солнечными массами, что подразумевает определенную жесткость, необходимую для переноса такого веса. С другой стороны, исследователи обнаружили грохот гравитационных волн, возникающих в результате слияния менее плотных пар около 1,5 солнечных масс в каждой. Наблюдая, как гравитационные силы заставляют звезды выпучиваться (или не выпирать), когда они приближаются, физики могут собрать больше информации об их размерах и мягкости. Важно отметить, что команда также добавила в математические расчеты экстраполяцию из теории кварков и глюонов для прогнозирования скорости звука в нейтронных звездах (еще одна мера жесткости).
Оставшиеся модели дали четкий ответ: нейтронные звезды меньшего размера, вероятно, являются нейтронами насквозь. Но самые тяжелые из известных звезд, которые балансируют на грани чёрной дыры, должны быть мягкими в середине - явный знак нейтронов, уступающих кваркам. «Если это похоже на кварковую материю, то, вероятно, это кварковая материя», - говорит Куркела.
Другие физики высоко оценили работу группы за ее тщательность. «Это первая статья, которая действительно рассматривает все это вместе и смело заявляет, что эти ядра материи кварка почти наверняка существуют», - говорит Филипп Ландри, исследователь гравитационных волн в Cal State Fullerton.
Однако он не полностью убежден, что это полностью закрывает дело. Ландри и его коллеги недавно завершили аналогичный анализ, который включает дополнительные наблюдения нейтронных звезд с Международной космической станции. Их работа поддерживала более высокую скорость звука в нейтронных звездах, что указывало на жесткость, которая могла сделать ядра кваркового вещества менее вероятными.
Большой каталог наблюдений нейтронных звезд усилит такой анализ в будущем. И улучшенные теории нейтронных звезд будут иметь далеко идущие последствия, даже для гораздо более мягких материалов здесь, на Земле.