Слияния нейтронных звезд проливают свет на тайны кварковой материи

Нейтронные звезды — это остатки старых звезд, у которых закончилось ядерное топливо, произошел взрыв сверхновой и последующий гравитационный коллапс. Хотя их столкновения — или бинарные слияния — происходят редко, эти бурные события могут возмущать само пространство-время, вызывая гравитационные волны, которые можно обнаружить на Земле на расстоянии сотен миллионов световых лет.

Во время слияния нейтронных звезд звезды быстро меняют форму и нагреваются, вызывая изменения в состоянии материи внутри них. В результате слияния может образоваться кварковая материя, в которой элементарные частицы кварки и глюоны, обычно заключенные в протонах и нейтронах, освобождаются и начинают свободно перемещаться.

Профессор Алекси Вуоринен из Университета Хельсинки объясняет, что за последние годы наше понимание свойств отдельных нейтронных звезд значительно расширилось. Однако мы все еще не до конца понимаем, что происходит при достижении самых высоких плотностей или в динамических условиях.

«Описание слияний нейтронных звезд представляет особую сложность для теоретиков, поскольку все традиционные теоретические инструменты, похоже, так или иначе ломаются в этих зависящих от времени и действительно экстремальных системах», — объясняет Вуоринен.

Определение объемной вязкости на основе теории струн и пертурбативной КХД

Одним из ключевых понятий в изучении слияний нейтронных звезд является объемная вязкость нейтронно-звездной материи, которая описывает, насколько сильно взаимодействие частиц сопротивляется течению в системе.

Вместе с зарубежными коллегами исследователи из Университета Хельсинки успешно определили объемную вязкость плотной кварковой материи, объединив два различных теоретических метода. Один из используемых подходов основан на теории струн, а другой — на теории возмущений, классическом методе квантовой теории поля.

В общем случае различные вязкости описывают, насколько «липким» является поток данной жидкости. Наиболее знакомый пример — сдвиговая вязкость, эффект которой можно наблюдать при течении таких веществ, как мед и вода: мед течет медленно, потому что обладает высокой вязкостью, в то время как вода течет быстрее из-за своей более низкой вязкости.

Объемная вязкость, с другой стороны, описывает потерю энергии в системе, которая претерпевает радиальные колебания, то есть ее плотность периодически увеличивается и уменьшается. Именно такие осцилляции происходят в нейтронных звездах и их слияниях, что делает объемную вязкость наиболее важным транспортным коэффициентом для слияний нейтронных звезд.

В исследовании, недавно опубликованном в Physical Review Letters, объемная вязкость кварковой материи была определена двумя способами: с помощью так называемого дуализма AdS/CFT, обычно называемого голографией, и теории возмущений.

В голографии свойства сильно связанных квантовых теорий поля определяются путем изучения гравитации в искривленном пространстве более высокой размерности. В случае кварковой материи это позволяет описать систему при плотностях и температурах, присутствующих в столкновениях нейтронных звезд, где взаимодействия квантовой хромодинамики (КХД), теории сильных ядерных сил, очень сильны. Однако по техническим причинам метод не может напрямую описывать КХД, а скорее рассматривает феноменологическую модель с очень похожими свойствами.

Другой метод, используемый в новой работе, — теория возмущений — является, пожалуй, самым распространенным инструментом в теоретических исследованиях физики частиц. В этом подходе физические величины определяются как степенной ряд по константе связи теории, которая описывает силу взаимодействия. Этот метод может описывать КХД напрямую, но применим только при плотностях, значительно превышающих те, что наблюдаются в нейтронных звездах.

К радости исследователей, оба метода привели к очень похожим результатам, подтвердив идею о том, что в кварковой материи объемная вязкость достигает пика при значительно более низких температурах, чем в ядерной материи.

«Эта информация помогает нам понять поведение материи нейтронных звезд во время их бинарных слияний», — говорит научный сотрудник Академии Ристо Паателайнен из Хельсинки.

«Эти результаты также могут помочь в интерпретации будущих наблюдений. Например, мы можем искать вязкие эффекты в будущих гравитационно-волновых данных, а их отсутствие может свидетельствовать о создании кварковой материи при слиянии нейтронных звезд», — добавляет преподаватель университета Нико Йокела.