Ядра нейтронних зір містять речовину з найвищою густиною, яка тільки може бути в сучасному Всесвіті. Причому всередині сфери діаметром 25 км стиснута речовина загальною масою, що дорівнює двом масам Сонця. Ці астрофізичні об’єкти справді можна вважати величезними атомними ядрами, внутрішня частина яких під дією сили тяжіння стискається до густини, що у багато разів перевищує густину окремих протонів і нейтронів.
Такі густини нейтронних зір привертають увагу до цих цікавих астрофізичних об’єктів фахівців з фізики елементарних частинок і ядерної фізики. Тривала відкрита проблема полягає в тому, чи може величезний тиск в центрі нейтронних зір стиснути протони та нейтрони до стану нової матерії, відому як холодна кваркова матерія (cold quark matter). У цьому екзотичному стані речовини не існують окремі протони та нейтрони.
«Кварки та глюони, що входять до їх складу, натомість звільнені від типового колірного утримання й можуть рухатися майже вільно», — пояснив Алексі Вуорінен (Aleksi Vuorinen), професор теоретичної фізики, фахівець з фізики елементарних частинок Гельсінського університету.
У новій статті, опублікованій в Nature Communications, група науковців з Гельсінського університету надала першу в історії кількісну оцінку ймовірності наявності ядра всередині масивних нейтронних зір, що складається з кваркової матерії. Вони показали: зважаючи на результати поточних астрофізичних спостережень, кваркова матерія майже неминуча в наймасивніших нейтронних зорях. Ймовірність цього, за оцінками науковців, становить від 80 до 90 відсотків.
Є невелика ймовірність того, що всі нейтронні зорі складаються лише з ядерної матерії. Але в такому разі перехід від ядерної до кваркової матерії має бути сильним фазовим переходом першого порядку, дещо схожим на перетворення рідкої води на лід. Якщо це так, то така швидка зміна властивостей речовини нейтронної зорі може дестабілізувати її таким чином, що утворення навіть мізерного ядра з кварків призведе до колапсу зорі в чорну діру.
Міжнародне обʼєднання науковців із Фінляндії, Норвегії, Німеччини та США змогло ще більше продемонструвати, як існування ядер з кваркової матерії одного дня може бути або повністю підтверджене, або спростоване. Визначальним моментом є здатність встановити силу фазового переходу між ядерною та кварковою речовинами. Це, згідно з очікуванням, стане можливим тоді, коли одного дня буде зареєстровано сигнал гравітаційної хвилі від останньої фази злиття двох нейтронних зір.
Головним засобом в отриманні нових результатів стали обчислення, виконані за допомогою суперкомп’ютера, із використанням Баєсового висновування — підвиду статистичних висновків, де ймовірність різних параметрів моделі визначають через пряме порівняння з даними спостережень.
Байєсовий складник дослідження дав дослідникам змогу вивести нові обмеження для властивостей матерії нейтронних зір. Науковці показали, що поблизу ядра наймасивніших стабільних нейтронних зір речовина «схильна» до так званої конформної поведінки.
Доктор Йонас Неттіла (Joonas Nättilä), один із головних авторів статті, описує дослідження як міждисциплінарну роботу, що вимагала досвіду з астрофізики, фізики елементарних частинок і ядерної фізики, а також інформатики. «Це захопливо конкретно спостерігати, як кожне нове спостереження нейтронної зорі давало нам змогу зʼясовувати властивості матерії нейтронної зорі зі все більшою й більшою точністю».
Йоонас Хірвонен (Joonas Hirvonen), аспірант, який працює під керівництвом Неттіла та Вуорінена, зі свого боку, наголошує на важливості високопродуктивних обчислень: «Нам довелося використати мільйони процесорних годин часу суперкомп’ютера, щоб мати можливість порівняти наші теоретичні прогнози зі спостереженнями та обмежити ймовірність ядер із кваркової матерії. Ми надзвичайно вдячні фінському суперкомп’ютерному центру CSC за надання нам усіх потрібних ресурсів!»
За інф. з сайту https://phys.org
