Изучение нейтронных звезд — это вызов для современной науки. Ближайшая нейтронная звезда находится в 400 световых годах от нас. При нынешних технологиях отправка зонда к ней заняла бы сотни тысяч лет. Телескопы не могут детально исследовать эти звезды, поскольку они имеют размер с небольшой город и выглядят лишь яркими точками на небе. Лабораторные эксперименты также бессильны: плотность нейтронных звезд в несколько раз превышает плотность атомных ядер, что делает невозможным ее воспроизведение.
Уравнения квантовой хромодинамики (КХД), которые описывают внутренние процессы нейтронных звезд, не могут быть решены стандартными методами из-за чрезвычайной сложности. Однако команда Райана Эбботта из Массачусетского технологического института сделала значительный прорыв в понимании этих объектов. Они установили новые ограничения для свойств недр нейтронных звезд, в частности показали, что скорость звука внутри этих звезд может быть выше, чем предполагалось. Это означает, что нейтронные звезды могут иметь большую массу, чем считалось ранее.
Почему так сложно изучать нейтронные звезды?
Внутренние свойства нейтронной звезды — давление и плотность — зависят от уравнений КХД. Проблема в том, что стандартные методы, в частности теория возмущений, работают только при определенных условиях: во внешней атмосфере, где плотность низкая, и в ядре самых массивных светил, где параметр связи мал. Но в основной части нейтронной звезды эти методы не действуют.
Физики используют численный метод — решеточной КХД, который рассматривает взаимодействие кварков и глюонов в дискретизированном пространстве-времени. На низких плотностях этот метод дает точные результаты, но при плотностях, характерных для нейтронных звезд, он становится непригодным. Для обхода этой проблемы исследователи применили концепцию изоспиновой плотности — разницы между количеством протонов и нейтронов. Предыдущие исследования показали, что изоспиновая плотность позволяет получить полезные ограничения на давление ядерной материи.
Прорыв в исследованиях
Эбботт и его команда провели масштабные вычисления с помощью суперкомпьютеров, моделируя материю с ненулевой изоспиновой плотностью. Они экстраполировали результаты до «границы континуума», то есть до исчезающе малого расстояния между решетками. Это позволило получить новые данные о свойствах материи экстремальной плотности.
В частности, исследователи выяснили, что материя с высокой изоспиновой плотностью является сверхпроводящей, и определили ее сверхпроводящую щель — параметр, характеризующий энергетическое состояние системы. Также они установили, что скорость звука в такой материи превышает конформный предел, но остается ниже нового предложенного предела скорости. Это имеет значение для определения максимальной массы нейтронных звезд перед их коллапсом в черные дыры.
Будущие перспективы
Полученные результаты открывают новые возможности для исследования нейтронных звезд. Они устанавливают ограничения на свойства материи внутри этих объектов, что важно для проверки моделей и теорий. Например, ученые теперь могут оценивать вязкость и проводимость материи, что влияет на спиновый распад и охлаждение звезд.
Решеточная КХД позволяет делать прогнозы для астрофизических наблюдений. В дальнейшем этот подход может стать ключевым для раскрытия тайн нейтронных звезд и их роли в эволюции Вселенной.
Ранее мы сообщали о том, как была найдена самая тяжелая нейтронная звезда во Вселенной.
По материалам physics.aps.org
