Кварковые звёзды маскируются под рядовые пульсары

Удивительные вещи порой открываются в "бумажных" научных исследованиях. Новая работа американских физиков обосновывает существование странных звёзд, словно бы мимикрирующих под нейтронные, но таковыми не являющихся.

Прашант Джаикумар (Prashanth Jaikumar) из американской национальной лаборатории Аргонн (Argonne National Laboratory) и его соавторы из национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Laboratory) — Санджей Редди (Sanjay Reddy) и Эндрю Стейнер (Andrew Steiner) — опубликовали в Physical Review Letters теоретический анализ структуры так называемых "Странных кварковых звёзд" (strange quark star).

Эти гипотетические объекты состоят из кварковой материи. Они компактны и тяжелы, и в этом отношении являются ближайшими родственниками нейтронных звёзд.

 

 

Собственно, предполагается, что некоторые нейтронные звёзды при ряде условий могут превращаться в странные кварковые.

Тут нужно пояснить, что из кварков состоят обычные частицы (протоны, нейтроны и так далее). Но под кварковой материей в данном случае понимается "каша" из свободных кварков, не образующих никаких элементарных частиц.

Ранее учёные в своих выкладках сходились на том, что если кварковые звёзды и существуют (что пока не доказано), то они обладают огромным градиентом плотности на поверхности (10²⁶г/см⁴), большим электрическим полем (там же) и чрезвычайно высокой яркостью.

Однако авторы новой работы развили теорию строения странных кварковых звёзд, по которой на их поверхности нет ни сверхсильных полей, ни столь высокого градиента плотности.

Джаикумар сотоварищи придумали и смоделировали гипотетическую "гетерогенную кору" странной звезды, состоящую из разрозненных "крупиц" или "кусков" странной кварковой материи, вложенных в однородный "фон" из электронов.

Какие могут быть интересные следствия из расчётов теоретиков? Они говорят, что, возможно, мы давно наблюдаем кварковые звёзды, но не знаем об этом. Они, мол, составляют некоторую часть из известных нам нейтронных звёзд, которые на самом деле, выходит, и не нейтронные вовсе.

Также авторы исследования утверждают, что по внешним признакам (читай — излучению) отличить нейтронную звезду от кварковой будет намного сложнее, чем предсказывали все прежние физические модели. Эти звёзды для наших приборов — очень похожи.

В то же время, американцы говорят о возможных путях вычисления кварковых звёзд среди населения нейтронных. Например, по модели Джаикумара и его коллег выходит, что кварковые звёзды охлаждаются чуть быстрее, чем нейтронные. А значит, при равном возрасте они будут холоднее нейтронных.

И что вы думаете? Именно такое открытие было сделано совсем недавно – астрономы нашли пульсар, который значительно холоднее обычных. Может быть, гипотеза американцев и вправду верна?

Джаикумар, Редди и Стейнер объясняют, на что похожа поверхность странной звезды.

В традиционном представлении поверхность эта очень гладкая. Но авторы новой работы полагают, что поверхность странной звезды можно сравнить с поверхностью воды, в которую добавили моющее средство. Это уменьшает поверхностное натяжение, позволяя формироваться мыльным пузырям.

Говоря упрощённо, в странной звезде из кварковой материи состоят как раз эти самые "пузыри", плавающие в море электронов. "До сих пор учёные, рассматривающие модели странных звёзд, упускали из виду силы поверхностного натяжения" — говорит Джаикумар.

По его расчётам выходит, что хотя ядро у странной звезды и чрезвычайно плотное, поверхность её — не столь плотная, как считали астрофизики ранее.

Вот традиционное представление интерьера нейтронной звезды (слева) и кварковой звезды (справа). Красные кружки – верхние кварки, зелёные – нижние кварки, синие – странные кварки. Слева показано, что кварки заключены в нейтронах (так называемый confinement), справа – что они свободны и перемешаны (иллюстрация с сайта chandra.harvard.edu).

Нужно вспомнить, что и наши старые знакомые, то есть — нейтронные звёзды, это вовсе не десятикилометровые шары из нейтронов, прижатых друг к другу силами гравитации.

На самом деле, строение таких тел очень сложное и, судя по всему, показывает множество слоёв, отличных по составу.

Например, учёные сходятся на том, что на поверхности нейтронных звёзд существует металлическая кора (толщиной порядка пары километров).

Некоторые нейтронные звёзды имеют столь сильные магнитные поля (в триллион раз больше земного), что их выделяют в отдельную группу — магнетары. Магнитное поле создаёт в их коре сильнейшее механическое напряжение.

А поскольку система не статична, время от времени наступают моменты, когда в определённой точке кора лопается, давая трещину и вызывая звездотрясение, словно по поверхности нейтронной звезды, как по колоколу, ударили гигантским молотом.

Это звездотрясение сопровождается мощной и короткой вспышкой гамма излучения — гамма-взрывом. Его могут зафиксировать приборы.

Так, к примеру, в декабре 2004 года рекордно сильное звездотрясение, с разломом коры (как сообщали исследователи), испытал магнетар SGR 1806-20. Анализ гамма-излучения даже позволил определить частоту колебаний "коры-колокола" — около 100 герц. Кстати, во время этой гамма-вспышки выделилась энергия, которую Солнце излучает за 150 тысяч лет.

И вот ещё в тот раз учёные, анализировавшие данные со спутников, говорили, что наблюдения за такими звездотрясениями – это один из важных путей, чтобы наконец-то выяснить их (нейтронных звёзд) структуру (аналогично тому, как землетрясения "просвечивают" нашу планету) и, отметьте, способ понять — есть ли в глубинах этих объектов странная кварковая материя.

До сих пор точно это не установлено.

Между тем, один из самых активных и давних исследователей нейтронных звёзд Норман Гленденнинг (Norman Glendenning) из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) считает: строение нейтронной звезды сложнее и интереснее не только того, как его представляет себе среднестатистический обыватель, но даже и того, о чём говорит большинство современных физиков.

Его теорию нейтронных звёзд мы подробно излагали в этом материале.

Как и Джаикумар с соавторами, в своей теории Норман даёт ряд ключей, по которым, по его мнению, можно разобраться всё-таки — каковы нейтронные звёзды.

Так вот совпадение (или закономерность?) — Гленденнинг тоже считает, что в глубинах нейтронных звёзд формируется кварковая материя, где нет ни протонов, ни нейтронов (давших, собственно, таким звёздам наименование), ни электронов, а есть лишь одни свободные кварки, да глюоны.

И ещё о моделях. Сейчас появилось сразу несколько версий состава начинки сверхплотных объектов, типа нейтронных и кварковых звёзд.

А это уже рисунок из работы Фридолина Вебера, в которой он описывает различные типы сверхплотных объектов. Пояснения в тексте (иллюстрация с сайта arxiv.org).

Здесь появляются уже такие интересные понятия, как протонная сверхпроводимость и цветная сверхпроводимость (основанная на спаривании кварков, а не электронов или протонов). Даже рождаются новые гипотетические типы этих сверхплотных звёзд (смотрите рисунок):

1 — Традиционная нейтронная звезда;

2 — Нейтронная звезда с пионным конденсатом (это почти обычная нейтронная, но с ядром из отрицательных пионов);

3 — Нуклонная звезда (почти такая же, как традиционная нейтронная, но с ядром из отрицательных каонов);

4 — Странная звезда. За исключением железной коры, которая, видимо, одинакова вообще для всех объектов в этой серии, она состоит из кварков, возможно, в состоянии цветной сверхпроводимости;

5 — Гиперонная звезда (соответственно, почти как простая нейтронная, но с ядром из гиперонов);

6 — Кварк-гибридная звезда (как обычная нейтронная, но с ядром из кварковой материи, то есть – такая, о которой говорил ещё Гленденнинг);

Кроме того, на рисунке указаны: 7 – металлическая кора; 8 – водородно-гелиевая атмосфера; 9 – тонкий слой сверхтекучей нейтронной жидкости; 10 – слой сверхпроводящих протонов.

Подробное описание всех этих звёзд и фазовых переходов вещества в них вы можете найти в этой новой работе Фридолина Вебера (Fridolin Weber) из университета Сан-Диего (San Diego State University) — PDF-документ.

Итак, если разным исследователям приходят в голову сходные мысли, значит, есть шанс, что они небеспочвенны?

Ждём от астрономов открытия странных звёзд.

Статья получена: Membrana.ru