Нейтронные звезды - странные вещи. Они могут образоваться, когда гравитация убивает звезду, превращая ее остатки в плотный шар размером с небольшой город. Они настолько плотны, что только квантовые силы и принцип исключения Паули удерживают их от коллапса в сингулярность черной дыры. Внутренняя часть нейтронной звезды настолько плотна, что материя ведет себя так, как мы до сих пор не до конца понимаем.
Их называют нейтронными звездами, потому что их гравитация разрушает структуру атомов. Электроны сжимаются в протоны, чтобы создать нейтроны. Большая часть внутренней части звезды превращается в море нейтронов, плотное, как ядра атомов. Но мы знаем, что эти звезды состоят не только из нейтронов. У них есть атмосфера толщиной всего в несколько сантиметров. Молодые нейтронные звезды имеют Небо состоит в основном из углерода и плотно, как алмазы. Как и Земля, нейтронные звезды имеют твердую корку, которая плавает внутри жидкой среды. Эта кора состоит из ядер железа. Он активно изменяется и может подвергаться звездным сотрясениям, как землетрясения в нашем мире.
Диапазон размеров типичной нейтронной звезды по сравнению с городом Франкфурт. Предоставлено: Лукас Вейх, Университет Гете.
Но странные вещи происходят в глубине души. Хотя внутри нейтронной звезды очень жарко, плотность настолько высока, что нейтронное море становится сверхтекучим. Его поведение похоже на поведение жидкого гелия при охлаждении до температуры всего на пару градусов выше абсолютного нуля. Жидкие недра могут генерировать огромные магнитные поля, превращая эти звезды в магнитары и пульсары.
Мы не можем непосредственно наблюдать недра нейтронной звезды, поэтому наше понимание их зависит от нашего понимания ее уравнение состояния. Для нейтронных звезд это дается уравнением Толмана – Оппенгеймера – Волкова (ТОВ). Хотя это уравнение хорошо работает для обычных звезд, оно создает проблему для нейтронных звезд, поскольку нейтроны не являются элементарными частицами.
Шесть типов кварков, представленных смайликами. Предоставлено: пользователь Википедии Зяблики и кварки.
Нейтроны состоят из трех кварков, двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Верхние и нижние кварки - это только два из шести известных типов кварков. В нашей повседневной жизни и даже в сердцах звезд кварки нейтрона плотно слипаются. С практической точки зрения нейтрон можно рассматривать как простую частицу. Но в ядре нейтронной звезды все усложняется. Плотно упакованные нейтроны могут растворяться в кварковой жидкости, и когда верхние и нижние кварки сталкиваются при высоких энергиях, они могут образовывать другие кварки, такие как странные или очаровательные. Или нет.
Чтобы ответить на этот вопрос, недавнее исследование сравнило физику кварков с наблюдаемыми свойствами нейтронных звезд. Исследование началось с подробного теоретического расчета свойств кварковой материи. Одно из этих свойств связано со скоростью звука в кварковой материи. Поскольку волны давления от таких вещей, как звездотрясения, распространяются со скоростью звука, они играют решающую роль в структуре нейтронных звезд.
Размер и масса кваркового ядра нейтронной звезды. Предоставлено: Nature Physics / Annala, Eemeli и др.
Оказывается, в чистой кварковой материи скорость звука не зависит от температуры и давления вещества. Это не относится к нейтронной материи. Учитывая некоторые разумные предположения о недрах нейтронной звезды, волны давления в глубоких недрах нейтронной звезды могут освобождать кварки от их нейтронов, создавая кварковое ядро. Размер этого ядра зависит от полной массы нейтронной звезды.
Авторы отмечают небольшую вероятность того, что нейтронные звезды не имеют кварковых ядер, но есть и другие доказательства, подтверждающие эту идею. Недавние гравитационно-волновые наблюдения сливающейся нейтронной звезды подтверждают, что ее размер согласуется с кварковой моделью. Астрономы также недавно обнаружили несколько нейтронных звезд с массой больше двух масс Солнца. У этих нейтронных звезд большой массы гораздо больше шансов иметь кварковые ядра.
Хотя для подтверждения этого результата необходимы дальнейшие исследования, кажется очевидным, что внутренняя часть нейтронных звезд имеет гораздо большую структуру, чем считалось ранее.
Ссылка:Аннала, Эмели и др. ' Свидетельства существования ядер кварковой материи в массивных нейтронных звездах . 'Природа Физика(2020): 1-4.