У Всесвіті можуть існувати надзвичайно щільні та екзотичні гіпотетичні космічні об’єкти, відомі як «дивні кваркові зірки». Поки астрофізики продовжують сперечатися про існування кваркових зірок, група фізиків виявила, що залишок злиття нейтронних зірок, що спостерігався у 2019 році, має саме ту масу, яка необхідна для того, щоб бути однією з них.
Коли зірки вмирають, їх ядра стискаються настільки, що перетворюються на нові види об’єктів. Наприклад, коли Сонце нарешті згасне, воно залишить по собі білий карлик – кульку розміром із планету, що складається з сильно стислих атомів вуглецю та кисню. Коли ще більші зірки вибухають внаслідок катаклізмичних вибухів, званих надновими, вони залишають по собі нейтронні зірки. Ці неймовірно щільні об’єкти розміром всього кілька км у поперечнику, але їхня маса може у кілька разів перевищувати масу Сонця. Як випливає з їхньої назви, вони майже повністю складаються з чистих нейтронів, що робить їх насправді кілометровими атомними ядрами.
Нейтронні зірки настільки екзотичні, що фізики ще остаточно їх не зрозуміли. Хоча ми можемо спостерігати, як нейтронні зірки взаємодіють з навколишнім середовищем, і зробити кілька хороших припущень про те, що відбувається з цією нейтронною матерією біля поверхні, склад їх ядер залишається невловимим.
Проблема полягає в тому, що нейтрони не є повністю фундаментальними частинками. Попри те, що вони з’єднуються з протонами, утворюючи атомні ядра, самі нейтрони складаються з ще дрібніших частинок, які називають кварками.
Існує шість видів, або ароматів, кварків: висхідний, низхідний, верхній, нижній, дивний та чарівність. Нейтрон складається з двох низхідних кварків і одного висхідного кварка. Якщо сплющити занадто багато атомів разом, вони перетворяться на гігантську кулю з нейтронів. Отже, якщо стиснути разом надто багато нейтронів, чи перетворяться вони на гігантську кулю кварків?
Відповіді варіюються від «можливо» до «це складно». Проблема в тому, що кварки справді не люблять самотності. Сильна ядерна сила, яка пов’язує кварки в ядрі, насправді зростає на відстані. Якщо ви спробуєте притягнути два кварки один до одного, сила, що притягує їх назад, збільшується. Зрештою, енергія тяжіння між ними стає настільки великою, що у вакуумі з’являються нові частинки, включаючи нові кварки, які із задоволенням зв’язуються із розділеними.
Якби ви захотіли створити макроскопічний об’єкт із висхідних або низхідних кварків, з яких складається нейтрон, цей об’єкт вибухнув би дуже швидко і дуже сильно.
Але, можливо, є шлях, який використовує дивні кварки. Самі по собі дивні кварки досить важкі, і коли їм дають спокій, вони швидко розпадаються на легші висхідні і низхідні кварки. Однак коли велика кількість кварків поєднується разом, фізика може змінитися. Фізики виявили, що дивні кварки можуть зв’язуватися з висхідними та низхідними кварками, утворюючи триплети, відомі як странлети, які можуть бути стабільними – але тільки при екстремальних тисках.
Якщо стиснути нейтронну зірку занадто сильно, всі нейтрони втрачають здатність підтримувати зірку, і вона вибухає, утворюючи чорну діру. Але може існувати проміжний етап, де тиск досить високий, щоб розчинити нейтрони та сформувати дивну кваркову зірку, але недостатньо сильний, щоб гравітація взяла все під свій контроль.
Астрономи не очікують знайти багато дивних зірок у Всесвіті, ці об’єкти повинні бути важчими за нейтронні зірки, але легшими за чорні діри, і тут не так багато простору для маневру. А оскільки ми не до кінця розуміємо фізику дивних зірок, ми навіть не знаємо точних мас, за яких можуть існувати дивні зірки.
Але нещодавно група астрономів розглянула GW190425, гравітаційно-хвильову подію, викликану злиттям двох нейтронних зірок, що спостерігається у 2019 році. Поряд із величезною кількістю гравітаційних хвиль, злиття нейтронних зірок призводить до утворення кілонової – вибуху, який потужніший, ніж звичайна нова зірка, але слабший, ніж наднова. Хоча астрономам не вдалося зафіксувати електромагнітний сигнал від цієї події, вони спостерігали подібну подію у 2017 році, яка викликала як гравітаційні хвилі, так і випромінювання.
При злитті двох нейтронних зірок існує кілька варіантів розвитку подій залежно від їх мас, спинів та кута зіткнення. Згідно з теоретичними розрахунками, нейтронні зірки можуть знищити одна одну, утворити чорну діру або створити трохи масивнішу нейтронну зірку.
А згідно з новим дослідженням, ці космічні зіткнення можуть призвести до утворення дивної кваркової зірки.
Команда підрахувала, що маса об’єкта, що залишилася після злиття 2019 року, була десь між 3,11 та 3,54 сонячними масами. Виходячи з нашого найкращого розуміння структури нейтронних зірок, це занадто багато маси, і вона повинна була розгорнутись у чорну діру. Але вона також потрапляє в діапазон мас, дозволених моделями структури цих дивних зірок.
Ще зарано говорити, чи є GW190425 2019 нашим першим спостереженням рідкісної зірки з дивним кварком, але майбутні спостереження (і більш теоретична робота) можуть допомогти астрономам визначити місцезнаходження однієї з цих екзотичних істот.
Ви можете допомогти Україні боротися з російськими окупантами. Найкращий спосіб зробити це – пожертвувати кошти Збройним Силам України через Savelife або через офіційну сторінку НБУ.
Читайте також:
- Масивні зірки можуть «красти» планети
- Великий адронний колайдер допоміг знайти новий спосіб виміру маси кварка