Исследователи предсказывают новую фазу развития нейтронных звезд, благоприятствующую «ядерной пасте»

Нейтронные звезды — это экстремальные и загадочные объекты, которые астрофизики не могут увидеть изнутри. Имея радиус около 12 километров, они могут иметь массу, превышающую массу Солнца более чем в два раза. Вещество в них упаковано в пять раз плотнее, чем в атомном ядре; вместе с черными дырами они являются самыми плотными объектами во Вселенной.

В экстремальных условиях материя может принимать экзотические состояния. Одна из гипотез заключается в том, что строительные блоки атомных ядер — протоны и нейтроны — деформируются в пластины и струны, похожие на лазанью или спагетти, поэтому специалисты называют это «ядерной пастой».

Исследователи из физического факультета Технического университета Дармштадта и Института Нильса Бора в Копенгагене теперь приняли новый теоретический подход для исследования состояния ядерной материи во внутренней коре нейтронных звезд. Они показали, что как нейтроны, так и протоны могут «вытекать» из атомных ядер и стабилизировать «ядерную пасту». Их результаты сообщаются в Письма физического осмотра.

Нейтронные звезды образуются, когда массивные звезды взрываются в сверхновой: в то время как внешние оболочки звезды выбрасываются в космос, ее внутренняя часть разрушается. Атомы буквально раздавливаются огромной гравитационной силой. Несмотря на отталкивание, отрицательно заряженные электроны прижимаются так близко к положительно заряженным протонам в атомном ядре, что они превращаются в нейтроны.

Затем сильное ядерное взаимодействие предотвращает дальнейший коллапс. В результате получается объект, состоящий примерно на 95% из нейтронов и на 5% из протонов — «нейтронная звезда».

Исследователи из Дармштадта под руководством Ахима Швенка являются экспертами в области теоретической ядерной физики, и нейтронные звезды являются одним из их исследовательских интересов. В своей текущей работе они сосредоточены на коре этих экстремальных объектов. Материя во внешней коре не такая плотная, как внутри, и там все еще есть атомные ядра.

По мере увеличения плотности в атомных ядрах образуется избыток нейтронов. Нейтроны могут «капать» из ядер, явление, известное как «нейтронное капание». Поэтому атомные ядра «плавают» в своего рода нейтронном соусе.

«Мы спросили себя, могут ли протоны также выпадать из ядер», — говорит Ахим Швенк. «Литература не дала ясного ответа на этот вопрос», — продолжает физик. Команда с Йонасом Келлером и Каем Хебелером из Технического университета Дармштадта и Кристофером Петиком из Института Нильса Бора в Копенгагене рассчитала состояние ядерной материи в условиях коры нейтронной звезды.

В отличие от предыдущих, они напрямую вычислили его энергию как функцию фракции протонов. Кроме того, они включили в свои расчеты парные взаимодействия между частицами, а также взаимодействия между тремя нуклонами.

Метод оказался успешным: исследователи смогли продемонстрировать, что протоны во внутренней коре также капают из ядер. Так что «протонная капля» действительно существует. Эта фаза, состоящая из протонов, сосуществует с нейтронами.

«Мы также смогли показать, что эта фаза благоприятствует феномену ядерной пасты», — говорит Швенк. Благодаря протонам, посыпанным в «соус», нуклоны могут лучше существовать в форме спагетти и лазаньи. Это позволило команде уточнить изображение ядерной материи в коре нейтронных звезд.

«Чем лучше мы можем описать нейтронные звезды, тем лучше мы можем сравнить их с астрофизическими наблюдениями», — говорит Швенк. Нейтронные звезды трудно понять астрофизически. Например, мы знаем их радиус только косвенно из гравитационных эффектов на другой нейтронной звезде. Более того, можно наблюдать и другие явления, такие как пульсирующее радиоизлучение нейтронных звезд.

Результат работы команды улучшает теоретическое понимание нейтронных звезд и способствует получению новых знаний об этих тайнах Вселенной с помощью астрофизических измерений.