Пятница, 23 февраля, 2024
ДомойКосмосВнутренние тайны нейтронных звезд: взгляд на ядра кварковой материи

Внутренние тайны нейтронных звезд: взгляд на ядра кварковой материи

- Advertisement -

Представление художника о различных слоях внутри массивной нейтронной звезды: красный круг представляет собой значительное ядро ​​из кварковой материи. Фото: Юрки Хокканен, CSC

Новый теоретический анализ показывает, что вероятность того, что массивные нейтронные звезды скрывают ядра деконфайнментированной кварковой материи, составляет от 80 до 90 процентов. Результат был достигнут благодаря масштабным запускам суперкомпьютеров с использованием байесовского статистического вывода.

Ядра нейтронных звезд содержат материю с самой высокой плотностью, достигнутой в нашей современной Вселенной: целых две солнечные массы материи сжаты внутри сферы диаметром 25 км. Эти астрофизические объекты действительно можно рассматривать как гигантские атомные ядра, гравитация которых сжимает их ядра до плотностей, во много раз превышающих плотности отдельных протонов и нейтронов.

Такая плотность делает нейтронные звезды интересными астрофизическими объектами с точки зрения физики элементарных частиц и ядерной физики. Давняя открытая проблема заключается в том, может ли огромное центральное давление нейтронных звезд сжимать протоны и нейтроны в новую фазу материи, известную как холодная кварковая материя. В этом экзотическом состоянии материи отдельные протоны и нейтроны больше не существуют.

«Их составляющие кварки и глюоны вместо этого освобождаются от своего типичного цветового ограничения и могут двигаться почти свободно», — объясняет Алекси Вуоринен, профессор теоретической физики элементарных частиц в Хельсинкском университете.

Представление художника о различных слоях внутри массивной нейтронной звезды: красный круг представляет собой значительное ядро ​​из кварковой материи. Фото: Юрки Хокканен, CSC

Сильный фазовый переход все еще может испортить ситуацию

В новой статье, только что опубликованной в журнале Природные коммуникации, команда из Хельсинкского университета предоставила первую в истории количественную оценку вероятности наличия ядер из кварковой материи внутри массивных нейтронных звезд. Они показали, что, основываясь на текущих астрофизических наблюдениях, кварковая материя почти неизбежна в самых массивных нейтронных звездах: количественная оценка, полученная командой, помещает вероятность в диапазон 80-90 процентов.

Остающаяся небольшая вероятность того, что все нейтронные звезды состоят только из ядерной материи, требует, чтобы переход от ядерной материи к кварковой был сильным фазовым переходом первого рода, чем-то напоминающим превращение жидкой воды в лед. Такое быстрое изменение свойств материи нейтронной звезды потенциально может дестабилизировать звезду таким образом, что образование даже крохотного ядра кварковой материи приведет к коллапсу звезды в черная дыра.

Международное сотрудничество между учеными из Финляндии, Норвегии, Германии и США позволило еще раз показать, как существование ядер кварковой материи однажды может быть либо полностью подтверждено, либо исключено. Ключевым моментом является способность ограничить силу фазового перехода между ядерной и кварковой материей, который, как ожидается, станет возможным после появления гравитационно-волнового сигнала из последней части двойной системы. нейтронная звезда слияние зафиксировано за один день.

Массивный суперкомпьютер работает с использованием данных наблюдений

Ключевым моментом в получении новых результатов стал набор массивных суперкомпьютерных вычислений с использованием байесовского вывода – ветви статистической дедукции, в которой можно сделать вывод о вероятности различных параметров модели путем прямого сравнения с данными наблюдений. Байесовский компонент исследования позволил исследователям получить новые границы свойств материи нейтронных звезд, продемонстрировав их приближение к так называемому конформному поведению вблизи ядер самых массивных стабильных нейтронных звезд.

Доктор Йоонас Няттиля, один из ведущих авторов статьи, описывает эту работу как междисциплинарное усилие, потребовавшее знаний в области астрофизики, физики элементарных частиц и ядерной физики, а также компьютерных наук. В мае 2024 года он собирается начать работу в качестве доцента в Хельсинкском университете.

«Интересно видеть, как каждое новое наблюдение нейтронной звезды позволяет нам с возрастающей точностью выводить свойства материи нейтронной звезды».

Йоонас Хирвонен, аспирант, работающий под руководством Няттиля и Вуоринен, с другой стороны, подчеркивает важность высокопроизводительных вычислений:

«Нам пришлось использовать миллионы часов процессорного времени суперкомпьютера, чтобы иметь возможность сравнить наши теоретические предсказания с наблюдениями и ограничить вероятность существования ядер кварковой материи. Мы чрезвычайно благодарны финскому суперкомпьютерному центру CSC за предоставление нам всех необходимых ресурсов!»

Ссылка: «Сильно взаимодействующая материя демонстрирует деконфецированное поведение в массивных нейтронных звездах» Эемели Аннала, Тайлер Горда, Йоонас Хирвонен, Олег Комольцев, Алекси Куркела, Йоонас Няттиля и Алекси Вуоринен, 19 декабря 2023 г., Природные коммуникации.
DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме