После парного танца нейтронных звёзд наступает грандиозный финал, и в результате их слияния может образоваться самая плотная форма материи, известная во Вселенной. Это так называемая «кварковая материя» — весьма странное сочетание освобождённых кварков и глюонов. Неизвестно, существовало ли это вещество в их ядрах до окончания танца. Однако в диких условиях после слияния нейтронных звёзд кварки и глюоны могут освободиться от протонов и нейтронов. Это позволяет им свободно перемещаться. Поэтому исследователи хотят знать, насколько свободно они перемещаются и какие условия могут препятствовать их движению.

Эти странные звёзды — очень плотные и загадочные скопления нейтронов. Поэтому, когда такая парочка танцует и сливается воедино, они меняют форму под давлением. Они также нагреваются. В итоге эти условия меняют состояние материи в их ядрах. По мнению профессора Алекси Вуоринена из Университета Хельсинки (Финляндия), именно это происходит при слиянии нейтронных звёзд. Однако, отмечает он, никто до конца не понимает, что это за условия и как ведут себя в них кварки. «Описание слияний нейтронных звёзд представляет особую сложность для теоретиков, потому что все обычные теоретические инструменты, похоже, так или иначе ломаются в этих зависящих от времени и реально экстремальных системах», — говорит он.

Откуда в столкновениях нейтронных звёзд берутся кварки

В космическом зоопарке нейтронные звёзды — одни из самых странных обитателей. Это сильно намагниченные остатки старых сверхмассивных звёзд, погибших при взрывах сверхновых. В результате катастрофического коллапса умирающей звезды там, где когда-то было звёздное ядро, образуется сплошной шар из нейтронов. Некоторые из них вращаются очень быстро и посылают сигналы в космос. Пульсар Крабовидной туманности — хороший пример такого объекта. Его ядро вращается около 30 раз в секунду, а сигнал проявляется в виде регулярных импульсов на радиочастотах, в гамма- и рентгеновском диапазонах волн. Поэтому его и называют «пульсаром».

Когда нейтронные звёзды сливаются, очевидно, они перемешивают своё содержимое. Исследователи хотят узнать вязкость материала, образовавшегося при слиянии. По сути, это будет мера того, насколько сильно взаимодействие частиц будет сопротивляться течению. Или, считайте, что это измерение того, насколько «липким» будет поток кваркового супа. Густой кварковый суп будет течь медленнее, а тонкий — быстрее. Идея состоит в том, чтобы понять условия и то, как они влияют на поток кварков во время слияния.

Теории о липких кварках

Исследователи хотят определить так называемую «объёмную вязкость» материала, образовавшегося во время слияния нейтронных звёзд. По сути, объёмная вязкость описывает потерю энергии, когда система, участвующая в слиянии, испытывает радиальные колебания. Они показывают, что кварк-глюонная плотность изменяется регулярным, периодическим образом. Вурнин и его коллеги задались целью определить объёмную вязкость кварковой материи, участвующей в таком столкновении. Они изучили проблему с помощью двух теоретических методов: один из них опирается на принципы голографии, а другой — на квантовое исследование поля, называемое теорией возмущений.

По сути, голографический подход рассматривает зависимость кварковой материи от плотности и температуры, возникающих при столкновениях нейтронных звёзд. Команда заинтересована в том, что называется «квантовой хромодинамикой». Это изучение взаимодействий между кварками и глюонами в материале, образовавшемся в результате столкновения.

Теория возмущений рассматривает силу взаимодействий между этими частицами. Применив оба метода, команда смогла охарактеризовать объёмную вязкость, то есть «липкость» кварковой материи. Затем им удалось выяснить, что её липкость проявляется при более низких, чем ожидалось, температурах. Это большой шаг вперёд в понимании поведения материи нейтронных звёзд во время слияний. «Эти результаты также могут помочь в интерпретации будущих наблюдений. Например, мы можем искать вязкие эффекты в будущих гравитационно-волновых данных, а их отсутствие может свидетельствовать о создании кварковой материи при слиянии нейтронных звёзд», — добавляет преподаватель университета Нико Йокела.

Использование физики и квантовой теории для погружения в нейтронную звезду

Никто ещё не побывал в необычных внутренностях нейтронной звезды. Однако это одно из самых странных мест в космосе. Как уже говорилось, они состоят из нейтронов. В отличие от большинства звёзд, они не излучают тепло, а то остаточное, что в них содержится, со временем рассеивается. Однако эти странные объекты обладают чрезвычайно сильным магнитным полем.

Нейтронные звёзды невероятно плотные. Небольшое количество их материала размером с обычный бумажник весит около 3 миллиардов тонн. Таким образом, эти странные звёзды являются вторыми по плотности объектами во Вселенной после сверхмассивных чёрных дыр. Астрономы и физики частиц заинтересованы в них, потому что они могут дать больше информации о таких темах, как сверхпроводимость, поведение плотных жидкостей, квантовая хромодинамика. Изучение столкновений этих сверхплотных объектов также позволяет понять, как они растут после своего первоначального формирования в катастрофических взрывах сверхновых.