В недрах нейтронных звёзд, самых плотных объектов в современной вселенной, может находиться материя, называемая холодным кварковым веществом. Это предположение было выдвинуто группой исследователей из Университета Хельсинки в статье, опубликованной в журнале Nature Communications .
Нейтронные звёзды, содержащие до двух солнечных масс в сфере диаметром всего 25 км, изучаются как уникальные астрофизические объекты. Особый интерес представляет вопрос о том, может ли огромное центральное давление в нейтронных звёздах привести к сжатию протонов и нейтронов в новую фазу материи.
Алекси Вуоринен, профессор теоретической физики элементарных частиц в Университете Хельсинки, поясняет: в холодном кварковом веществе протоны и нейтроны перестают существовать как отдельные частицы. Их составляющие – кварки и глюоны – освобождаются и могут свободно перемещаться.
Исследователи предоставили первую количественную оценку вероятности наличия кварковых ядер в массивных нейтронных звёздах. Согласно текущим астрофизическим наблюдениям, вероятность наличия кваркового вещества в самых массивных нейтронных звёздах составляет 80-90%.
Однако существует небольшая вероятность, что все нейтронные звёзды состоят только из ядерного вещества. Это требует сильного фазового перехода первого рода, аналогичного переходу жидкой воды в лёд. Такое резкое изменение свойств материи звезды может привести к её нестабильности и коллапсу в чёрную дыру при образовании даже небольшого ядра из кваркового вещества.
Международная группа учёных из Финляндии, Норвегии, Германии и США также показала, как в будущем можно будет либо полностью подтвердить, либо опровергнуть существование кварковых ядер. Ключевым моментом здесь является возможность ограничить силу фазового перехода между ядерным и кварковым веществом, что станет возможным после регистрации гравитационно-волнового сигнала от последней стадии слияния двух нейтронных звёзд.
Важной частью исследования стали масштабные расчёты на суперкомпьютерах, использующие метод байесовского вывода – ветвь статистического умозаключения, при котором оценивают вероятности различных параметров модели на основе прямого сравнения с наблюдательными данными.
Доктор Йонас Нятиля, один из ведущих авторов статьи, описывает работу как междисциплинарное усилие, требующее знаний в области астрофизики, физики элементарных частиц, ядерной физики и компьютерных наук. Он подчеркивает, что каждое новое наблюдение за нейтронными звёздами позволяет с большей точностью определять свойства их материи.
Джонас Хирвонен, аспирант, работающий под руководством Нятиля и Вуоринена, подчёркивает важность высокопроизводительных вычислений: для сравнения теоретических прогнозов с наблюдениями и оценки вероятности кварковых ядер потребовалось миллионы часов работы суперкомпьютера.