Гравитационные волны рассказали о кварковой материи в недрах нейтронных звёзд
"Гравитационное эхо" слияния двух нейтронных звёзд позволило физикам получить уникальные сведения о так называемом кварковом состоянии вещества, в котором протоны и нейтроны разрушены и материя состоит непосредственно из "слипшихся" между собой кварков. Такой результат опубликован в журнале Physical Review Letters командой во главе с Алекси Вуориненом (Aleksi Vuorinen) из Университета Хельсинки.
Девизом астрономов давно стала фраза: "Космос – уникальная физическая лаборатория!". И это не только удобный слоган для получения финансирования, но и чистая правда. Природа всё ещё далеко опережает человека по способности создавать огромные давления или, напротив, глубокий вакуум, магнитные и гравитационные поля огромной величины и так далее.
В частности, исследовать в лаборатории таинственное кварковое состояние чрезвычайно трудно. А ведь кварки относятся к истинно элементарным частицам. Это означает, что, насколько нам известно, они не состоят из ещё более мелких "компонентов". А вот из них самих состоят, в частности, протоны и нейтроны, а значит, и ядра атомов любого вещества, в том числе и того, из которого сделаны мы сами. Поведение кварков могло бы пролить свет на самые сокровенные тайны материи.
Как сообщает пресс-релиз Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN), его на краткие доли секунды можно получить при столкновениях протонов на Большом адронном коллайдере. Однако одно дело – отдельные частицы, и совсем другое – полноценный "кусок" вещества, состоящий из невообразимого их числа. (Простейший пример: атомов в стакане воды больше, чем стаканов воды в Мировом океане). Как ведут себя кварки, когда их собирается так много? Ответа на этот вопрос до сих пор нет.
Обычно физики характеризуют свойства материи так называемым уравнением состояния. Это математическое соотношение, которое связывает различные физические величины. Например, такими параметрами могут быть давление, плотность и температура. Как изменится плотность вещества, если его нагреть до n градусов и одновременно подвергнуть воздействию давления в m атмосфер? Ответ на этот вопрос зависит от того, как данный вид материи, так сказать, устроен изнутри. Информацию об этом устройстве и несёт в себе уравнение состояния.
Исходя из данных, полученных на ускорителях, физики создали целый букет уравнений, которые могли бы характеризовать кварковую материю. Какое из них верное, неизвестно. И в обозримом будущем не представляется возможным выяснить это в земных лабораториях.
Здесь физикам и пришёл на помощь гравитационный всплеск GW170817. Об этом единственном пока случае, когда источник гравитационных волн удалось разглядеть в телескопы, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали.
Детекторы однозначно засвидетельствовали, что источником всплеска стало столкновение нейтронных звёзд. А в самом центре этих экзотических небесных тел, как полагают физики, материя находится в кварковом состоянии.
Команда Вуоринена провела более подробный анализ свойств принятых гравитационных волн. Авторам удалось определить, насколько нейтронная звезда деформировалась приливными силами. Напомним вкратце, что это такое.
Рассмотрим нейтронные звёзды А и Б. Как известно, сила тяготения зависит от расстояния. Поэтому тело А сильнее всего будет притягивать ближайшую точку объекта Б, слабее его центр и ещё слабее противоположную от себя точку. Получается, что на разные части звезды Б действует разная по величине сила. Так происходит, когда мы растягиваем пружину или резинку, держа её за один конец. Это и называется приливной деформацией.
Насколько растянется объект, будь то пружина или нейтронная звезда, если приложить к нему известное усилие? Ответ зависит от внутреннего устройства "испытуемого". Проанализировав результаты эксперимента, поставленного самой природой, исследователи получили новые сведения о кварковой материи.
Данных не хватило на то, чтобы выбрать из ранее предложенных уравнений состояния единственное верное. Однако диапазон возможных вариантов серьёзно сузился. Учёные отбросили целые классы гипотетических уравнений из-за несоответствия новым результатам.
Выжав из наблюдений всю информацию о кварковом состоянии, какую только смогли, учёные "перевернули задачу". С учётом полученных ограничений на внутреннее строение нейтронных звёзд они рассчитали некоторые их свойства. Например, авторы определили, что при типичной для таких объектов массе в 1,4 солнечных максимальный радиус составляет 13,6 километра.
Напомним, что гравитационные волны были впервые обнаружены лишь в 2015 году. А уже в ближайшем будущем планируется серьёзное улучшение чувствительности как самих детекторов, так и методов обработки данных. Можно надеяться, что столкновение нейтронных звёзд наблюдалось таким инструментом не в последний раз, и будущие события расскажут много нового о тайнах материи.
Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, что происходит на месте знаменитого столкновения. Например, мы рассказывали, что там образовалась рекордно маленькая чёрная дыра.
