Вивчення нейтронних зір — це виклик для сучасної науки. Найближча нейтронна зоря розташована за 400 світлових років від нас. За нинішніх технологій відправлення зонда до неї зайняла б сотні тисяч років. Телескопи не можуть детально дослідити ці зорі, оскільки вони мають розмір з невелике місто і здаються лише яскравими цятками на небі. Лабораторні експерименти також безсилі: щільність нейтронних зір у кілька разів перевищує щільність атомних ядер, що унеможливлює її відтворення.
Рівняння квантової хромодинаміки (КХД), які описують внутрішні процеси нейтронних зір, не можуть бути розв’язані стандартними методами через надзвичайну складність. Проте команда Раяна Ебботта з Массачусетського технологічного інституту зробила значний прорив у розумінні цих об’єктів. Вони встановили нові обмеження для властивостей надр нейтронних зір, зокрема показали, що швидкість звуку всередині цих зір може бути вищою, ніж передбачалося. Це означає, що нейтронні зорі можуть мати більшу масу, ніж вважалося раніше.
Чому так складно вивчати нейтронні зорі?
Внутрішні властивості нейтронної зорі — тиск і густина — залежать від рівнянь КХД. Проблема в тому, що стандартні методи, зокрема теорія збурень, працюють лише за певних умов: у зовнішній атмосфері, де густина низька, і в ядрі наймасивніших світил, де параметр зв’язку малий. Але в основній частині нейтронної зорі ці методи не діють.
Фізики використовують чисельний метод — ґратчастої КХД, який розглядає взаємодію кварків і глюонів у дискретизованому просторі-часі. На низьких густинах цей метод дає точні результати, але за густин, характерних для нейтронних зір, він стає непридатним. Для обходу цієї проблеми дослідники застосували концепцію ізоспінової густини — різниці між кількістю протонів і нейтронів. Попередні дослідження показали, що ізоспінова густина дає змогу отримати корисні обмеження на тиск ядерної матерії.
Прорив у дослідженнях
Ебботт і його команда провели масштабні обчислення за допомогою суперкомп’ютерів, моделюючи матерію з ненульовою ізоспіновою густиною. Вони екстраполювали результати до «межі континууму», тобто до надзвичайно малої відстані між ґратками. Це дозволило отримати нові дані про властивості матерії екстремальної густини.
Зокрема, дослідники з’ясували, що матерія з високою ізоспіновою густиною є надпровідною, і визначили її надпровідну щілину — параметр, який характеризує енергетичний стан системи. Також вони встановили, що швидкість звуку в такій матерії перевищує конформну межу, але залишається нижчою за нову запропоновану межу швидкості. Це має значення для визначення максимальної маси нейтронних зір перед їхнім колапсом у чорні діри.
Майбутні перспективи
Отримані результати відкривають нові можливості для дослідження нейтронних зір. Вони встановлюють обмеження на властивості матерії всередині цих об’єктів, що важливо для перевірки моделей і теорій. Наприклад, вчені тепер можуть оцінювати в’язкість і провідність матерії, що впливає на спіновий розпад і охолодження зір.
Ґратчаста КХД дозволяє робити прогнози для астрофізичних спостережень. Надалі цей підхід може стати ключовим для розкриття таємниць нейтронних зір і їхньої ролі в еволюції Всесвіту.
Раніше ми повідомляли про те, як була знайдена найважча нейтронна зоря у Всесвіті.
За матеріалами physics.aps.org
