Новый теоретический анализ показывает, что вероятность того, что массивные нейтронные звезды скрывают ядро из кварковой материи, составляет от 80% до 90%. Результаты были получены посредством крупномасштабных прогонов суперкомпьютера с использованием методов байесовского статистического вывода. Ядро нейтронной звезды содержит самую высокую плотность материи во Вселенной на сегодняшний день, сжимая до двух солнечных масс в сферу диаметром 25 километров. Эти объекты действительно можно рассматривать как гигантские атомные ядра, гравитация которых сжимает их ядра до плотности, во много раз превышающей плотность отдельных протонов и нейтронов.
Такая плотность делает нейтронные звезды интересными астрофизическими объектами с точки зрения физики элементарных частиц и ядерной физики. Давний вопрос заключается в том, может ли массивное центральное давление нейтронной звезды сжать протоны и нейтроны в новое вещество, называемое холодной кварковой материей. В этом причудливом состоянии материи отдельные протоны и нейтроны больше не существуют.
«Их составляющие кварки и глюоны освобождены от своих типичных цветовых ограничений и могут двигаться почти свободно», — объясняет Алекси Вуоринен, профессор теоретической физики элементарных частиц в Хельсинкском университете.
В новой статье, только что опубликованной в журнале Nature Communications, исследовательская группа из Хельсинкского университета сделала первую количественную оценку возможности появления ядра кварковой материи внутри массивной нейтронной звезды. Их исследование показывает, что, основываясь на текущих астрофизических наблюдениях, кварковая материя почти неизбежна в самых массивных нейтронных звездах: количественные оценки, полученные командой, оценивают эту вероятность в пределах 80–90%.
Оставшаяся вероятность того, что все нейтронные звезды состоят только из ядерной материи, невелика, что требует, чтобы переход от ядерной материи к кварковой материи был сильным фазовым переходом первого рода, чем-то похожим на процесс превращения жидкой воды в лед. Такие быстрые изменения свойств вещества нейтронной звезды потенциально могут дестабилизировать нейтронную звезду до такой степени, что образование даже крошечного ядра из кварковой материи приведет к коллапсу нейтронной звезды в черную дыру.
Международное сотрудничество ученых из Финляндии, Норвегии, Германии и США также предполагает, что существование ядра кварковой материи однажды может быть полностью подтверждено или исключено. Ключевым моментом является способность контролировать силу фазового перехода между ядерной материей и кварковой материей, что, как ожидается, станет возможным, как только однажды будет записан сигнал гравитационной волны, возникающий в результате заключительной части слияния двойных нейтронных звезд.
Использование данных наблюдений для крупномасштабных операций на суперкомпьютерах
Ключевым фактором в получении новых результатов стал набор крупномасштабных суперкомпьютерных вычислений с использованием байесовского вывода — раздела статистического вывода, который определяет вероятность различных параметров модели посредством прямого сравнения с наблюдаемыми данными. Часть исследования, основанная на байесовском выводе, позволила исследователям получить новые оценки материальных свойств нейтронных звезд, продемонстрировав, что они приближаются к так называемому конформному поведению вблизи ядер максимально стабильных нейтронных звезд.
Доктор Йоонас Няттиля, один из ведущих авторов статьи, считает, что эта работа является междисциплинарной и требует знаний в области астрофизики, физики элементарных частиц, ядерной физики и информатики. Он приступит к работе в качестве доцента в Хельсинкском университете в мае 2024 года.
«Удивительно, что каждое новое наблюдение нейтронной звезды позволяет нам делать выводы о свойствах материала нейтронной звезды с возрастающей точностью».
С другой стороны, Йоонас Хирвонен, докторант, работающий под руководством Нейтилаи и Вуринена, подчеркнул важность высокопроизводительных вычислений:
«Нам пришлось использовать миллионы часов процессорного времени суперкомпьютера, чтобы сравнить наши теоретические предсказания с наблюдениями и определить возможность существования ядра кварковой материи. Мы очень благодарны Финскому суперкомпьютерному центру CSC за предоставление нам всех необходимых нам ресурсов!»
Справка: «Сильно взаимодействующая материя демонстрирует деконфайнментирующее поведение в массивных нейтронных звездах», автор: Эемели Аннала, Тайлер Горда, Йоонас Хирвонен, Олег Комольцев, Алекси Куркела, Йоонас Няттиля и Алекси Вуоринен, 19 декабря 2023 г., «Природа – Коммуникации».
DOI:10.1038/s41467-023-44051-y
Источник составления: ScitechDaily.