Нейтронные звёзды представляют собой крайне загадочные объекты, которые невозможно исследовать напрямую. С радиусом около 12 километров, они могут обладать массой, вдвое превышающей солнечную. Материя в них упакована в пять раз плотнее, чем в атомных ядрах; наряду с чёрными дырами, они являются самыми плотными объектами во Вселенной.
В экстремальных условиях материя может принимать экзотические состояния. Одна из гипотез утверждает, что строительные блоки атомных ядер – протоны и нейтроны – могут деформироваться в пластины и нити, напоминающие лазанью или спагетти, что получило название “ядерная паста”.
Исследователи из департамента физики Технического университета Дармштадта и Института Нильса Бора в Копенгагене применили новый теоретический подход для изучения состояния ядерной материи во внутренней коре нейтронных звёзд. Они показали, что как нейтроны, так и протоны могут “вытекать” из атомных ядер, стабилизируя “ядерную пасту”. Их результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters .
Нейтронные звёзды образуются при взрыве массивных звёзд в результате суперновой: внешние оболочки звезды выбрасываются в космос, а её внутренняя часть коллапсирует. Атомы сжимаются под огромной гравитационной силой. Несмотря на взаимное отталкивание, отрицательно заряженные электроны настолько сближаются с положительно заряженными протонами в атомном ядре, что превращаются в нейтроны.
Сильное ядерное взаимодействие предотвращает дальнейший коллапс. В результате образуется объект, состоящий примерно на 95% из нейтронов и на 5% из протонов – “нейтронная звезда”.
Группа из Дармштадта под руководством Ахима Швенка специализируется на теоретической ядерной физике, исследуя нейтронные звёзды. В своей текущей работе они сосредоточились на коре этих экстремальных объектов. Материя во внешней коре не так плотна, как во внутренней, и в ней всё ещё присутствуют атомные ядра.
С увеличением плотности в атомных ядрах появляется избыток нейтронов, которые могут “вытекать” из ядер – это явление известно как “нейтронный капеж”. Таким образом, атомные ядра “плавают” в своём роде нейтронном “соусе”.
“Мы задали себе вопрос, могут ли протоны также вытекать из ядер”, – говорит Ахим Швенк. “Литература по этому вопросу не давала однозначного ответа”. Команда, в которую вошли Йонас Келлер и Кай Хебелер из ТУ Дармштадта и Кристофер Петик из Института Нильса Бора, рассчитала состояние ядерной материи при условиях, существующих в коре нейтронной звезды.
В отличие от предыдущих исследований, они напрямую вычислили энергию материи в зависимости от доли протонов. Кроме того, они учли парные взаимодействия между частицами, а также взаимодействия между тремя нуклонами.
Метод оказался успешным: исследователи продемонстрировали, что протоны во внутренней коре также могут вытекать из ядер. Таким образом, “протонный капеж” действительно существует. Эта фаза, состоящая из протонов, сосуществует с нейтронами.
“Мы также смогли показать, что эта фаза способствует образованию ядерной пасты”, – говорит Швенк. Благодаря протонам, “посыпанным” в этот “соус”, нуклоны лучше образуют формы спагетти и лазаньи. Это позволило команде уточнить представления о ядерной материи в коре нейтронных звёзд.
“Чем лучше мы можем описать нейтронные звёзды, тем лучше мы можем сравнивать данные с астрофизическими наблюдениями”, – отмечает Швенк. Нейтронные звёзды трудно изучать астрофизически. Например, их радиус известен лишь косвенно, по гравитационному влиянию на другую нейтронную звезду. Кроме того, можно наблюдать и другие явления, такие как пульсирующее радиоизлучение от нейтронных звёзд.
Результаты команды улучшают теоретическое понимание нейтронных звёзд и способствуют получению новых знаний об этих загадках Вселенной на основе астрофизических измерений.