Слияние нейтронных звезд может раскрыть тайну кваркового супа

Гравитационные волны, возникающие при столкновении нейтронных звезд, могут помочь узнать, образуется ли в их центре сверхплотная материя из кварков и глюонов — такая же, какая была в ранней Вселенной.


Нейтронные звезды — это остатки сгоревших звезд, которые имеют огромную плотность. Одна чайная ложка такого материала весит несколько сотен миллиардов килограммов. Но что происходит с материей при еще большем давлении? Никто не знает точно.

Одна из гипотез гласит, что нейтроны и протоны в центре нейтронных звезд распадаются на кварки и глюоны — самые маленькие частицы материи. Такой кварк-глюонный суп существовал в ранней Вселенной до того, как кварки объединились в атомы.


— Шигехиро Нагатаки из астрофизической лаборатории Большого взрыва RIKEN.

Как проверить эту гипотезу? Один из способов — это наблюдать за гравитационными волнами, которые возникают при слиянии двух нейтронных звезд. Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, вызванные ускоренным движением массивных объектов. Они были впервые обнаружены в 2015 году и с тех пор стали мощным инструментом астрофизики.

Гравитационные волны от слияния нейтронных звезд несут информацию: что происходит с материей при таких экстремальных условиях. Например, они могут показать, как протоны и нейтроны переходят в кварки и глюоны.

Если этот переход действительно происходит, то он может быть либо резким, либо нечетким. Резкий переход означает, что материя меняет свое состояние внезапно, как вода при кипении. Нечеткий переход означает, что материя меняет свое состояние постепенно, как вода при нагревании под высоким давлением.

Нагатаки и его коллеги моделировали слияния нейтронных звезд с нечетким переходом и рассчитали гравитационные волны, которые они излучают. Они обнаружили, что можно определить наличие кварковой фазы и тип перехода по частоте гравитационных волн.

Частота гравитационных волн зависит от того, насколько быстро вращается нейтронная звезда. Чем больше нейтронная звезда, тем медленнее она вращается, и наоборот. Если в центре нейтронной звезды есть кварковая фаза, то ее частота будет отличаться от ожидаемой.

К сожалению, современные детекторы гравитационных волн не могут обнаружить такую разницу в частоте. Но в будущем появятся более чувствительные детекторы, которые смогут это сделать. Например, проект Einstein Telescope в Европе и проект Cosmic Explorer в США планируются к запуску в 2030-х годах.


— Шигехиро Нагатаки.

Зачем изучать кварк-глюонную материю?

Кварк-глюонная материя представляет большой интерес для физиков и астрономов. Она может помочь понять свойства элементарных частиц и силы между ними. Она также может помочь понять эволюцию Вселенной после Большого Взрыва.

Кварк-глюонная материя может быть создана на Земле при очень высоких температурах и энергиях. Такие условия достигаются на больших ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) или Релятивистский тяжелый ионный коллайдер (РТИК). На этих ускорителях сталкиваются ядра атомов и получаются короткоживущие капли кварк-глюонной материи.

Но на нейтронных звездах кварк-глюонная материя может быть более стабильной и долгоживущей. Поэтому наблюдение за гравитационными волнами от слияния нейтронных звезд может дать уникальную возможность изучить эту экзотическую форму материи.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters под названием «Merger and Postmerger of Binary Neutron Stars with a Quark-Hadron Crossover Equation of State».