Ядерная «паста», приготовленная мертвыми звездами, может раскрыть секреты звездной загробной жизни. В самом сердце нейтронных звезд фундаментальные частицы скручиваются в странные «макаронные изделия», которые могут раскрыть неисчислимые секреты эволюции мертвых звезд.
Представьте, что вы готовите макароны при температуре более триллиона градусов. Но это не просто обычное воскресное блюдо; это «ядерная паста», которую можно найти внутри нейтронных звезд. Исследователи только что обнаружили, что эти странные формы ядер проникают гораздо глубже в ядра нейтронных звезд, чем мы когда-либо считали возможным, и что это может радикально изменить свойства этих мертвых звезд.
Нейтронные звезды — это само определение экстремума. Оставшиеся ядра некоторых из самых массивных звезд во Вселенной обычно вмещают материал, равный нескольким солнцам, в объем не больше Манхэттена. Чтобы достичь этих невероятных плотностей, вещество внутри них сжимается настолько, что разрушаются атомные и даже ядерные связи. Это просто гигантское горячее море свободно плавающих нейтронов, электронов и протонов, связанных вместе посредством сложных взаимодействий сильного ядерного взаимодействия.
Учитывая эти экстремальные условия, астрономы до сих пор точно не понимают, как образуется вещество нейтронных звезд. Одна из возможностей заключается в том, что нейтронные звезды на самом деле являются гибридами. Их кора и внешние слои почти полностью состоят из нейтронов, с добавлением некоторого количества электронов и протонов. Но их ядра испытывают такие экстремальные давления и плотности, что даже нейтроны распадаются, оставляя после себя плотную полужидкую среду из кварков — наиболее фундаментальной составляющей материи.
Взаимосвязь между кварковым ядром и внешним слоем нейтронов определяет общие свойства нейтронной звезды: как она вращается, как вибрирует, когда трескается внешняя кора, и как она ведет себя при столкновении с другими нейтронными звездами в результате взрыва, известного как килоновая. Нейтронные звезды, которые имеют резкое разделение между ядром и внешними слоями, будут вести себя иначе, чем нейтронные звезды с постепенным перемешиванием между этими областями. Однако, поскольку поблизости нет нейтронных звезд, которые можно было бы вскрыть и исследовать, мы должны обратиться к теоретическим моделям, чтобы попытаться понять их внутреннее устройство.
Пара физиков-теоретиков приняли этот вызов. В статье, представленной 26 августа в базу данных препринтов arXiv, они применили новейшие модели поведения кварков и нейтронов к внутренностям нейтронных звезд. В своей работе, которая еще не прошла экспертную оценку, они сосредоточились на этой неуловимой и сложной переходной зоне между кварковым ядром и нейтронными внешними слоями, особенно когда речь заходит о внешнем виде… макаронных изделий.
Это не обычные макароны. Ядерная «паста» в этой переходной зоне состоит из компактных сгустков нейтронов, погруженных в море кварков. Их появление обусловлено сложным взаимодействием сильных ядерных и электромагнитных сил, которые заставляют нейтроны изгибаться и скручиваться во множество странных форм по всей переходной зоне. Когда физики впервые обнаружили эти структуры, они обнаружили множество интересных форм: сгустки, трубочки, стержни и пузырьки, напоминающие фантастическое разнообразие форм макарон, встречающихся в итальянской кухне. (Метафора сработала еще лучше, когда они поняли, что «ядерная паста» была погружена в горячую ванну с кварками, как в кипящий котел с водой.) Наконец, на достаточно больших глубинах давление становится слишком сильным, и макароны распадаются на море кварков.
Исследователи рассмотрели важную роль напряжения кривизны, которое представляет собой сопротивление изогнутой формы преобразованиям, пытающимся ее выпрямить. Напряжение кривизны аналогично более знакомому поверхностному натяжению, когда жидкость сопротивляется внешним силам, которые пытаются проникнуть через ее поверхность.
Исследователи обнаружили, что напряжение кривизны может благоприятствовать некоторым формам, позволяя уже «приготовленной» пасте проникать глубже в кварковую сердцевину, в то время как другие формы не нравятся. В частности, они обнаружили, что трубки и пузырьки могут выдерживать гораздо более высокие плотности, чем считалось ранее, благодаря влиянию изгибающего напряжения, в то время как капли и стержни сохраняются недолго.
Это может показаться небольшими изменениями, но потенциально они могут иметь серьезные последствия. Когда нейтронные звезды сталкиваются, приводя к килоновым взрывам, детали этого взрыва — самое главное, способность этого взрыва производить многие из более тяжелых элементов периодической таблицы Менделеева — зависят от внутренней структуры нейтронной звезды. Различия в том, как далеко нейтроны проникают в ядро, и в формах, которые они принимают, могут изменить эволюцию этих взрывов.
Следующим шагом для исследователей является конкретизация этого направления мышления и исследование того, как мы можем использовать килоновые взрывы для выявления детальных структур внутренних частей нейтронных звезд, особенно всех вкусных форм нейтронов.