Высокая кухня нейтронных звезд: спагетти и лазанья в «соусе» из протонов

Нейтронные звёзды представляют собой крайне загадочные объекты, которые невозможно исследовать напрямую. С радиусом около 12 километров, они могут обладать массой, вдвое превышающей солнечную. Материя в них упакована в пять раз плотнее, чем в атомных ядрах; наряду с чёрными дырами, они являются самыми плотными объектами во Вселенной.

В экстремальных условиях материя может принимать экзотические состояния. Одна из гипотез утверждает, что строительные блоки атомных ядер — протоны и нейтроны — могут деформироваться в пластины и нити, напоминающие лазанью или спагетти, что получило название «ядерная паста».

Исследователи из департамента физики Технического университета Дармштадта и Института Нильса Бора в Копенгагене применили новый теоретический подход для изучения состояния ядерной материи во внутренней коре нейтронных звёзд. Они показали, что как нейтроны, так и протоны могут «вытекать» из атомных ядер, стабилизируя «ядерную пасту». Их результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters .

Нейтронные звёзды образуются при взрыве массивных звёзд в результате суперновой: внешние оболочки звезды выбрасываются в космос, а её внутренняя часть коллапсирует. Атомы сжимаются под огромной гравитационной силой. Несмотря на взаимное отталкивание, отрицательно заряженные электроны настолько сближаются с положительно заряженными протонами в атомном ядре, что превращаются в нейтроны.

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

Группа из Дармштадта под руководством Ахима Швенка специализируется на теоретической ядерной физике, исследуя нейтронные звёзды. В своей текущей работе они сосредоточились на коре этих экстремальных объектов. Материя во внешней коре не так плотна, как во внутренней, и в ней всё ещё присутствуют атомные ядра.

С увеличением плотности в атомных ядрах появляется избыток нейтронов, которые могут «вытекать» из ядер — это явление известно как «нейтронный капеж». Таким образом, атомные ядра «плавают» в своём роде нейтронном «соусе».

«Мы задали себе вопрос, могут ли протоны также вытекать из ядер», — говорит Ахим Швенк. «Литература по этому вопросу не давала однозначного ответа». Команда, в которую вошли Йонас Келлер и Кай Хебелер из ТУ Дармштадта и Кристофер Петик из Института Нильса Бора, рассчитала состояние ядерной материи при условиях, существующих в коре нейтронной звезды.

В отличие от предыдущих исследований, они напрямую вычислили энергию материи в зависимости от доли протонов. Кроме того, они учли парные взаимодействия между частицами, а также взаимодействия между тремя нуклонами.

Метод оказался успешным: исследователи продемонстрировали, что протоны во внутренней коре также могут вытекать из ядер. Таким образом, «протонный капеж» действительно существует. Эта фаза, состоящая из протонов, сосуществует с нейтронами.

«Мы также смогли показать, что эта фаза способствует образованию ядерной пасты», — говорит Швенк. Благодаря протонам, «посыпанным» в этот «соус», нуклоны лучше образуют формы спагетти и лазаньи. Это позволило команде уточнить представления о ядерной материи в коре нейтронных звёзд.

«Чем лучше мы можем описать нейтронные звёзды, тем лучше мы можем сравнивать данные с астрофизическими наблюдениями», — отмечает Швенк. Нейтронные звёзды трудно изучать астрофизически. Например, их радиус известен лишь косвенно, по гравитационному влиянию на другую нейтронную звезду. Кроме того, можно наблюдать и другие явления, такие как пульсирующее радиоизлучение от нейтронных звёзд.

Результаты команды улучшают теоретическое понимание нейтронных звёзд и способствуют получению новых знаний об этих загадках Вселенной на основе астрофизических измерений.