Слияние нейтронных звезд. Возможность измерить гравитационные волны двух сливающихся нейтронных звезд может предложить ответы на некоторые фундаментальные вопросы о строении вещества. При чрезвычайно высоких температурах и плотностях в слиянии ученые предположили фазовый переход, при котором нейтроны растворяются в составляющих их кварках и глюонах. В текущем выпуске Physical Review Letters две международные исследовательские группы сообщают о своих расчетах того, как будет выглядеть сигнатура такого фазового перехода в гравитационной волне.

Моделирование слияния нейтронных звезд, рассчитанное с помощью суперкомпьютеров. Различные цвета показывают массовую плотность и температуру через некоторое время после слияния и незадолго до того, как объект обрушится в черную дыру. Ожидается, что кварки образуются там, где температура и плотность выше. Фото: К. Бреу, Л. Реццолла

Кварки, самые маленькие строительные блоки материи, никогда не появляются в природе одни. Они всегда тесно связаны внутри протонов и нейтронов. Однако нейтронные звезды, весящие столько же, сколько Солнце, но размером с такой город, как Франкфурт, обладают настолько плотным ядром, что может произойти переход от нейтронного вещества к материи кварка. Физики называют этот процесс фазовым переходом, похожим на переход жидкость-пар в воде. В частности, такой фазовый переход в принципе возможен, когда сливающиеся нейтронные звезды образуют очень массивный метастабильный объект с плотностями, превышающими плотность атомных ядер, и с температурами в 10000 раз выше, чем в ядре Солнца.

Измерение гравитационных волн, испускаемых сливающимися нейтронными звездами, могло бы служить посредником возможных фазовых переходов в космическом пространстве. Фазовый переход должен оставлять характерную сигнатуру в сигнале гравитационной волны. Исследовательские группы из Франкфурта, Дармштадта и Огайо (Университет Гете / FIAS / GSI / Кентский университет), а также из Дармштадта и Вроцлава (GSI / Вроцлавский университет) использовали современные суперкомпьютеры для расчета того, как может выглядеть эта подпись. Для этой цели они использовали несколько теоретических моделей фазового перехода.

В случае, если фазовый переход происходит больше после фактического слияния, небольшое количество кварков будет постепенно появляться по всему слитному объекту. «С помощью уравнений Эйнштейна мы впервые смогли показать, что это тонкое изменение в структуре будет вызывать отклонение в сигнале гравитационной волны до тех пор, пока вновь образованная массивная нейтронная звезда не упадет под собственным весом, образовав черную дыру. , »Объясняет Лучано Реццолла, профессор теоретической астрофизики в университете Гете.

В компьютерных моделях доктора Андреаса Баусвейна из GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung в Дармштадте фазовый переход уже происходит непосредственно после слияния – ядро ​​кварковой материи образуется внутри центрального объекта. «Нам удалось показать, что в этом случае произойдет отчетливый сдвиг частоты сигнала гравитационной волны», – говорит Баусвейн. «Таким образом, мы определили измеримый критерий фазового перехода в гравитационных волнах слияния нейтронных звезд в будущем».

Не все детали сигнала гравитационной волны измеримы с помощью детекторов тока. Однако они станут заметны как для следующего поколения детекторов, так и для случая слияния, относительно близкого нам. Дополнительный подход к ответу на вопросы о материи кварков предлагается в двух экспериментах: путем столкновения тяжелых ионов на существующей установке HADES в GSI и в будущем детекторе CBM в Центре исследований антипротонов и ионов (FAIR), который в настоящее время находится в стадии строительства. в GSI будет производиться сжатое ядерное вещество. В столкновениях может быть возможно создать температуры и плотности, подобные тем, которые происходят при слиянии нейтронных звезд. Оба метода позволяют по-новому взглянуть на возникновение фазовых переходов в ядерной материи и, следовательно, на ее фундаментальные свойства.

По материалам phys.org