Исследователи ЮФУ в сотрудничестве с коллегами из Индии предложили новую модель компактных звезд, которая может существенно расширить представления о строении и эволюции этих объектов. Основное внимание в работе было уделено исследованию кваркового состояния вещества внутри звезд, что выходит за рамки стандартных физических моделей и открывает перспективы для изучения новой физики.
Испокон веков звезды над головой будоражили сознание человечества, были источником вдохновения и научного интереса. Наблюдения за ними и законы физики позволили ученым выстроить теорию звездной эволюции, которая описывает разные стадии их жизненного цикла. Одна из ключевых стадий — это этап, когда вещество звезды сжимается до плотности, характерной для атомного ядра. Такие состояния предоставляют уникальные возможности для изучения материи в экстремальных условиях, позволяя ученым выйти за рамки стандартных моделей фундаментальных сил природы.
Прецизионные данные современной космологии подтверждают, что в нашей Вселенной доминируют скрытая масса и темная энергия. Их описание требует пересмотра текущих физических моделей. Как отмечает главный научный сотрудник НИИ Физики ЮФУ, доктор физико-математических наук, профессор Максим Хлопов:
«Такой выход необходим и для описания начальных условий эволюции Вселенной, которое привлекает инфляцию и бариосинтез, механизмы которых не могут быть основаны только на известных физических законах. Тем самым ныне стандартная космологическая модель привлекает физику вне рамок стандартных моделей фундаментальных взаимодействий. Исследования этой физики основываются на сочетании экспериментальных физических и астрофизических исследований. В последних анализ естественных условий состояния вещества в компактных звездах занимает важное место».
В процессе эволюции звезды проходят через стадии, на которых их вещество сжимается до чрезвычайно высоких плотностей. Это приводит к значительному уменьшению размеров звезд, делая их все более компактными. Такое сжатие массивных звезд приводит к их коллапсу в черные дыры. Результатом эволюции звезд, масса которых меньше, чем 2–3 массы Солнца, считается образование нейтронных звезд, вещество которых сжато до плотности атомного ядра. Однако описание макроскопического состояния вещества при таких плотностях может существенно отличаться от структуры атомных ядер.
Обычно считается, что при таких плотностях вещество нейтронных звезд состоит из стабильных нейтронов, которые не распадаются, как это происходит со свободными нейтронами. Но ученые ЮФУ в своем исследовании предложили альтернативное объяснение — на этих плотностях может происходить переход в так называемое «цвето-ароматное» состояние. В этом состоянии протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, могут разлагаться на кварки, образуя гигантскую «сверхтекучую кварковую каплю». Интересно, что в этом состоянии участвуют не только легкие кварки, но и более тяжелые кварки «странности», которые оказываются стабильными в таких условиях.
Термин «цвето-ароматное состояние» может показаться необычным, но за ним скрывается глубокий физический смысл. В квантовой хромодинамике — теории, описывающей сильное взаимодействие между кварками — вводятся особые характеристики частиц, которые физики образно назвали «цветом» и «ароматом».
«Цвет» кварка — это специфический квантовый заряд, принимающий одно из трех значений, условно названных красным, зеленым и синим (существуют также антицвета). Важно отметить, что эти «цвета» не имеют ничего общего с видимыми цветами. Это всего лишь аналогия: как сочетание всех цветов видимого спектра дает белый цвет, так и комбинация трех кварковых «цветов» образует «бесцветное» состояние, которое может существовать в природе, как, например, в протонах и нейтронах.
«Аромат» — это другая фундаментальная характеристика кварков, определяющая их тип. Существует шесть «ароматов»: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Эти названия — условные обозначения, не имеющие отношения к запахам. В обычном веществе встречаются только верхние и нижние кварки, но при высоких плотностях и температурах могут появляться и более тяжелые «ароматы».
Когда физики говорят о «цвето-ароматном» состоянии материи в сверхплотных звездах, они подразумевают особое квантовое состояние, в котором кварки различных «ароматов» и «цветов» формируют сложные структуры. Такое состояние принципиально отличается от обычного ядерного вещества и может приводить к появлению совершенно новых свойств материи.
Цель исследования, результаты которого опубликованы в Chinese Journal of Physics, заключалась в изучении возможности существования такого цвето-ароматного кваркового состояния в компактных звездах.
«На основе решений уравнений общей теории относительности получено описание кваркового состояния вещества и структуры компактных звезд. Мы пришли к выводу о том, что такое описание не только является реалистичным, но и приводит к новым выводам о возможных свойствах компактных звезд», – отметил Максим Хлопов.
Полученные учеными результаты открывают новые горизонты для астрономических исследований. Разработанная модель позволяет предсказать существование звезд с массами, заметно превышающими пределы, принятые для нейтронных звезд. Это открытие может привести к пересмотру данных наблюдений за такими объектами и их интерпретации.
«Новые решения для описания структуры звезд приводят к предсказанию новых типов небесных объектов и интерпретации как данных астрономических наблюдений, так и процессов слияния компактных звезд, доступных методам многоканальной астрономии», – подчеркивает ученый.
В рамках этой работы ученые составили графики, описывающие зависимость массы и радиуса звезд от их плотности, что позволило более точно моделировать возможные свойства компактных объектов.
Эти исследования ЮФУ проводились при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России. Результаты работы могут оказаться важными как для интерпретации гравитационно-волновых сигналов от слияний компактных звезд, так и для анализа процессов, происходящих в таких системах. По словам Максима Хлопова, сотрудничество с индийскими коллегами, которое продолжается на протяжении многих лет, предоставляет отличные возможности для дальнейших исследований.
Это касается не только изучения новых форм материи, но и их эволюции и астрофизических проявлений. Важность этих исследований заключается в том, что они расширяют методы изучения физики за рамками стандартных моделей фундаментальных взаимодействий, предоставляя новые подходы к освоению этой области. При этом важную роль играет опыт группы индийских ученых под руководством заместителя директора Центра космологии, астрофизики и космических наук (CCASS) Университета GLA (г. Матура, штат Уттар-Прадеш) профессора Сайбала Рея (Saibal Ray) в решении уравнений как стандартной (ОТО), так и модифицированной теории гравитации.
Таким образом, предложенная модель компактных звезд открывает широкие перспективы для изучения новых физических явлений, а также помогает уточнить современные представления о строении и эволюции Вселенной.