В течение последних десяти лет нейтронные звезды и их слияния стали ключевым объектом для изучения взаимодействий в плотной кварковой материи. Физики достигли значительного прогресса в понимании процессов, происходящих внутри нейтронных звезд. Однако, что происходит с материей во время слияния таких звезд? Ученые разработали метод для моделирования этого явления.
Нейтронные звезды — это плотные и массивные остатки умерших звезд, формирующиеся в результате взрыва сверхновой. В некоторых двойных системах звезды могут одновременно превратиться в нейтронные звезды. Иногда эти остатки начинают сближаться и объединяться, что порождает мощные гравитационные волны. В результате тесного гравитационного взаимодействия звезды нагреваются, их форма деформируется, а материя внутри подвергается еще большему сжатию. В таких экстремальных условиях протоны и нейтроны распадаются, формируя кварковую материю. Кстати, по расчетам, по оценкам ученых, с вероятностью 80-90 процентов подобная материя присутствует и в «тихих» нейтронных звездах. Однако, пока что исследователи не могут разобраться в особенностях этой материи, даже при проведении теоретических вычислений.
Для корректной интерпретации гравитационных волн, возникающих при слиянии двух нейтронных звезд, астрофизикам необходимо знать особенности поведения кварковой материи на завершающей стадии этого процесса.
«Теоретикам чрезвычайно сложно описывать слияния нейтронных звезд, поскольку, как показывает практика, в этих экстремальных, меняющихся во времени системах существующие теоретические подходы оказываются неэффективными», — объяснил профессор Алекси Вуоринен (Aleksi Vuorinen) из Хельсинкского университета (Финляндия).
Для расшифровки гравитационных волн требуются точные модели слияний нейтронных звезд. Разработка этих моделей предполагает наличие формул, описывающих диссипацию (рассеяние) и распределение энергии в веществе нейтронной звезды в условиях экстремальных нагрузок. Ключевым параметром является — объемная вязкость, в системе, характеризующейся изменениями плотности, происходят потери энергии, поскольку материя в ней подвергается сжатию и расширению. Этот процесс наблюдается в кварковой материи, находящейся в ядрах быстро вращающихся нейтронных звезд.
Взаимодействия между кварками оказывают существенное влияние на объемную вязкость кварковой материи. Однако, диапазон определяемых значений здесь уже более ограничен по сравнению с разницей в вязкости кварковой и ядерной материи. Таким образом, анализ объемной вязкости может позволить обнаружить формирование кварковой материи в процессе слияния нейтронных звезд.
В новой работе, опубликованной в Physical Review Letters, по двум теоретическим моделям исследователи определили объемную вязкость кварковой материи: голографической дуальности и теории возмущений. Первый метод не позволяет напрямую моделировать кварковую материю, однако он применим к системам, обладающим схожими характеристиками. Вторая теория, напротив, предназначена для описания кварковой материи, существующей в состоянии с плотностью, превышающей плотность вещества в нейтронных звездах.
В представленной работе авторами было установлено, как кварковая материя реагирует на изменения в соотношениях ароматов кварков. Оказалось, что внутри нейтронных звезд (в диапазоне их температур и плотностей) именно взаимодействия и изменения ароматов кварков определяют зависимость кварковой материи от температуры. По этим теоретическим расчетам исследователи вывели формулу объемной вязкости для кварковой материи.
Две изученные учеными теории привели к получению близких по форме уравнений. Это позволило подтвердить, что максимальное значение объемной вязкости кварковой материи достигается при более низких температурах по сравнению с ядерной материей. Представленные формулы дадут возможность построить точные модели слияния нейтронных звезд.
«Эти результаты также помогут в интерпретации результатов наблюдений. Например, в будущих данных по гравитационным волнам могут быть обнаружены эффекты, связанные с вязкостью, а их отсутствие укажет на формирование кварковой материи в процессе слияния нейтронных звезд», — объяснил Нико Джокело является одним из соавторов этой работы.