Поймать звезду за кварки: что скрывают плотные светила и что открыли учёные ЮФУ

Звёзды они как люди, у каждой своя судьба. Есть те, кто светит ярко и коротко, а затем превращаются в чёрные дыры. Другие, напротив, живут долго, стареют медленно и угасают тихо, а после себя оставляют кучку «праха».

Но среди них особое место занимают так называемые компактные звёзды. Это — звёзды-выжившие: их вещество сжалось до экстремальных плотностей, и сами они превратились в невероятно тяжёлые и плотные объекты.

Эти малыши в последние годы дико интересуют учёных: именно их поведение, структура и загадочные процессы внутри могут дать ответы на множество вопросов о природе Вселенной.

И вот, учёные Южного федерального университета (ЮФУ) совместно с коллегами из Индии предложили новую модель компактных звёзд, которая буквально меняет игру.

Эта модель погружает нас в мир, где атомы перестают быть атомами, а сами звёзды могут существовать в новых, ранее немыслимых состояниях. Для кого-то звучит бредово, но в этом и прелесть науки — она всегда находит способ нас удивить.

Компактные звёзды: кто они такие?

Компактные звёзды — это звёзды на пределе. Представьте массивную звезду, которая прошла долгий путь, сжалась до невообразимой плотности и остановилась в состоянии, в котором ни светить, ни расширяться уже не может.

Тут у нас есть три вида вида: белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.

• Белые карлики — это звёзды среднего размера, которые завершили свою жизнь тихо и без взрывов. Они не такие уж и компактные по стандартам космоса, но плотность у них всё же впечатляющая. Белые карлики в несколько раз меньше Земли, но могут весить почти как Солнце.

• Нейтронные звёзды — вот тут начинается хардкор. Это звёзды, которые начали коллапсировать, но благодаря физике, удержались и не стали чёрной дырой. Их плотность сравнима с плотностью атомных ядер, и поэтому они являются одними из самых плотных объектов во Вселенной.

• Чёрные дыры — звёзды, которые настолько массивны, что никакая сила уже не может их удержать от полного коллапса. Они сжимаются до точки и образуют область, откуда не может выйти даже свет.

ЮФУ сфокусировался на изучении нейтронных звёзд и возможностей их существования в особом состоянии, когда материя внутри них может переходить в так называемое «кварковое» состояние.

И тут возникают одни из самых интересных вопросов современной физики: возможно ли, что в этих звёздах происходит нечто выходящее за рамки привычного атомного строения?

Цвета, ароматы и прочие чудеса физики

Чтобы понять суть новой модели ЮФУ, нужно немного углубиться в квантовую физику, но без паники: тут всё не так страшно, как кажется.

Представьте себе обычные атомы. Внутри атома есть ядро, а ядро состоит из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны в свою очередь состоят из более мелких частиц — кварков. Именно кварки — фундаментальные кирпичики материи, такие же как электроны, например.

И вот тут физики придумали интересные штуки, чтобы проще объяснять поведение этих кварков.

Сложные термины «цвет» и «аромат», которыми описывают кварки, на самом деле с цветом и ароматом не связаны. «Цвет» кварка — это не буквальный цвет, а всего лишь метка, как бы «квантовый заряд», который может быть красным, зелёным или синим (и антицвета для них тоже есть).

Важно, что все эти «цвета» у кварков должны сочетаться так, чтобы в итоге получалось «бесцветное» состояние — это как смешать все цвета радуги и получить белый.

Дальше идёт «аромат». Нет, кварки не пахнут — тут всё ещё проще.

«Аромат» определяет вид кварка: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный.

Ароматы разделили просто по каким-то особенностям: например, u-кварк и d-кварк называются так от верхнего (up) и нижнего (down) компонентов.

А очарованный так называется, потому что его первооткрыватели восхитились симметрией квантового мира, которая образовалась благодаря этому кварку.

В общем, все эти названия — просто метки, чтобы проще было понять, что какой-то кварк имеет свойства, отличные от его соседа.

Новая модель ЮФУ

Так вот, в ЮФУ задумались, что же произойдёт, если нейтронная звезда будет сжиматься дальше, и вещество внутри начнёт переходить в состояние, в котором протоны и нейтроны «растворяются», и остаются только кварки.

Учёные ЮФУ выдвинули теорию, что в таких звёздах может возникнуть «цвето-ароматное» состояние, когда кварки разных цветов и ароматов образуют гигантскую «сверхтекучую каплю».

Эта новая модель позволяет описать состояние звезды, которое обычные физические модели объяснить не могут. Подобные исследования кваркового состояния вещества внутри звёзд могут не только расширить представления об эволюции звёзд, но и открыть новую физику.

Итак, что же такое эта «цвето-ароматная» кварковая звезда?

Представьте себе, что в звезде, вещество которой сжато до сверхплотного состояния, начинают происходить процессы, которые полностью изменяют её структуру. В обычных нейтронных звёздах протоны и нейтроны существуют как устойчивые частицы.

Но при ещё большем сжатии происходит нечто удивительное: протоны и нейтроны распадаются на кварки, и те объединяются в особую форму вещества, которая принципиально отличается от всего, что мы знаем.

В такой звезде могут находиться не только лёгкие кварки (верхние и нижние), которые присутствуют в обычной материи, но и более экзотические тяжёлые кварки — «странные».

Именно такие условия, по мнению учёных ЮФУ, способны сформировать совершенно новую структуру — эту самую «цвето-ароматную каплю», причём настолько плотную и стабильную, что звезда остаётся компактной, но не коллапсирует в чёрную дыру.

Такое состояние вещества называют кварковым. Оно отличается от всего, что мы знаем, и требует новых моделей для его описания. Учёные ЮФУ использовали уравнения общей теории относительности, чтобы понять, какие параметры и условия позволят кварковой звезде существовать и оставаться стабильной.

Их расчёты показали, что подобное состояние может быть не только возможным, но и устойчивым, что оставляет целую кучу загадок и открывает новые возможности для исследования таких объектов.

И зачем всё это?

Ну, для начала, это не просто развлечение для учёных. Эта модель может помочь объяснить поведение звёзд, которые астрофизики наблюдали, но до сих пор не могли чётко классифицировать.

Например, масса некоторых нейтронных звёзд оказалась выше предела, который установлен для обычной нейтронной материи. Если такие звёзды действительно существуют в кварковом состоянии, это объяснит их аномальную массу и сверхплотность.

Идём дальше. Если кварковые звёзды действительно могут существовать, то они должны по-особенному взаимодействовать с гравитацией и другими звёздными объектами. Это даёт учёным шанс использовать такие звёзды как своего рода «лаборатории» для проверки новых идей в физике и космологии.

Изучение таких объектов может привести к появлению новых типов небесных тел и изменению нынешнего представления о жизненном цикле звёзд.

А что это всё даёт на практике? Так астрономы смогут лучше анализировать данные наблюдений и интерпретировать процессы, которые до сих пор оставались неразгаданными.

Например, столкновения и слияния компактных объектов могут влиять на процессы звёздообразования и даже на эволюцию галактик.

Вполне возможно, что благодаря кварковым звёздам, наконец, можно будет понять, что такое эта ваша тёмная материя и вот это вот всё.

В общем, компактные звёзды — это вам не это; это ключ к решению загадок, с которыми человечество ещё столкнётся в XXI веке.

Такие дела.