Аналіз результатів вимірювання гравітаційних хвиль, спричинених злиттям двох нейтронних зір, дав можливість відповісти на деякі фундаментальні питання про структуру речовини. Науковці припускають, що за надзвичайно високих температур і густин речовини в момент злиття, відбувається фазовий перехід при якому нейтрони розпадаються на їх складові: кварки й глюони. Дві міжнародні дослідницькі групи повідомили на сторінках журналу Physical Review Letters про свої розрахунки того, яким буде маркер такого фазового переходу в гравітаційній хвилі.
Кварки, найменші будівельні блоки матерії, ніколи не існують самі собою в природі. Вони завжди тісно пов’язані всередині протонів і нейтронів. Однак нейтронні зорі, такої маси, як Сонце, але розміром з місто, як, наприклад, Франкфурт, мають таке щільне ядро, що може відбутися перехід від нейтронної матерії до кваркової матерії. Фізики називають цей процес фазовим переходом, схожим на перехід рідина―пара для води. Такий фазовий перехід у принципі можливий, коли злиття нейтронних зір приводить до утворення дуже масивного метастабільного об’єкта з густиною, що перевищує густину атомних ядер і з температурою в 10000 разів вищою, ніж у ядрі Сонця.
Вимірювання гравітаційних хвиль, спричинених злиттям нейтронних зір, може дати змогу виявити ознаки ймовірних фазових переходів у космічному просторі. Фазовий перехід має залишити характерний підпис (signature) у гравітаційно-хвильовому сигналі. Наукові групи з Франкфурта, Дармштадта і Огайо, а також з Дармштадта і Вроцлава використали сучасні суперкомп’ютери для з’ясування того, яким може бути такий підпис. Для цього дослідники використовували різні теоретичні моделі фазового переходу.
Якщо після фактичного злиття відбувається фазовий перехід, то невелика кількість кварків буде поступово з’являтися у всьому об’ємі новоутвореного об’єкта. «За допомогою рівнянь Айнштайна ми вперше показали, що ця тонка зміна структури приведе до порушення сигналу гравітаційної хвилі аж поки новостворена масивна нейтронна зоря не колапсує під власною вагою в чорну діру», — пояснив Лучано Рецолла (Luciano Rezzolla), професор теоретичної астрофізики в університеті імені Ґете.
Моделювання злиття нейтронних зір з допомогою суперкомп’ютерів. Різні кольори показують густину й температуру речовини через деякий час після злиття і незадовго до того, як об’єкт колапсує в чорну діру. Очікується, що кварки будуть формуватися там, де температура і щільність найвищі. Фото з сайту www.eurekalert.org.
У комп’ютерних моделях д-ра Андреаса Баусвейна (Andreas Bauswein) з Центру дослідження важких іонів імені Гельмгольца (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) в Дармштадті фазовий перехід відбувається прямо після злиття — у внутрішній частині нового об’єкту утворюється ядро з кваркової матерії. «Нам вдалося показати, що в цьому випадку буде спостерігатися чіткий зсув частоти гравітаційного хвильового сигналу», — сказав Баусвейн. «Тобто, ми знайшли критерій (його можна виміряти), що дає змогу в майбутньому за гравітаційними хвилями від злиття нейтронних зір визначати фазовий перехід».
Ще не всі подробиці гравітаційного хвильового сигналу можна визначити з допомогою сучасних детекторів. Проте, їх буде більше, коли з’являться детектори наступного покоління, а також тоді, коли злиття нейтронних зір трапиться близько до Землі. Додатковий підхід щодо пошуку відповідей на питання про кваркову матерію передбачають два експерименти: зіткнення важких іонів на існуючій установці HADES в GSI та на майбутньому детекторі CBM в Центрі дослідження антипротонів і іонів (Facility for Antiproton and Ion Research, FAIR), який наразі будується в GSI, і де будуть отримувати стиснену ядерну речовину. При зіткненнях можна було б створювати температури і щільності, які схожі з тими, що виникають під час злиття нейтронних зір. Обидва методи дають можливість отримати нові уявлення про виникнення фазових переходів в ядерній матерії і, отже, про її фундаментальні властивості.
За інф. з сайту www.eurekalert.org
