W nowym artykule opublikowanym na przełomie roku w „Nature Communications”, zespół badaczy z Uniwersytetu w Helsinkach przedstawił pierwsze w historii ilościowe oszacowanie prawdopodobieństwa istnienia jądra z materii kwarkowej wewnątrz masywnych gwiazd neutronowych. W oparciu o obecne obserwacje astrofizyczne naukowcy wykazali, że istnieje nawet 90 proc. prawdopodobieństwo, iż materia kwarkowa pojawia się w najbardziej masywnych gwiazdach neutronowych. Taki wynik został osiągnięty dzięki obliczeniom superkomputerów z wykorzystaniem bayesowskiego wnioskowania statystycznego. O co chodzi?
Gwiazdy neutronowe są bardzo gęste
Zacznijmy od tego, czym są gwiazdy neutronowe. Określa się je mianem zdegenerowanych gwiazd, ponieważ powstają podczas kolapsu białego karła lub w wyniku supernowej. Są kolejnym etapem ewolucji gwiazd o wielkich masach, czyli takich mających od ośmiu do 25 mas Słońca. Przy czym masa Słońca to 1,9884 kwintyliona kilogramów. Czyli ponad 330 tys. razy więcej od masy Ziemi.
Gwiazdy neutronowe mają niewielką średnicę, ale zawierają materię o największej gęstości osiąganej we współczesnym Wszechświecie. Są tak gęste, że zaledwie trzy centymetry sześcienne ich materii, czyli mniej więcej tyle, ile zmieści się na łyżce, ma masę dochodzącą sześciu miliardów ton.
Budowa wewnętrzna gwiazdy neutronowej. Jądro z materii kwarkowej oznaczono kolorem czerwonym / ryc. Jyrki Hokkanen, CSC, CC BY
Grawitacja ściska jądra gwiazd neutronowych do ogromnej gęstości. Materia w nich składa się z neutronów, protonów i elektronów. Odległości między protonami i elektronami stają się coraz mniejsze, aż w końcu łączą się one ze sobą, tworząc neutrony. Te niezwykłe astrofizyczne obiekty mogą być uważane za gigantyczne jądra atomowe. Właśnie dlatego gwiazdy neutronowe interesują naukowców, zajmujących się fizyką cząstek elementarnych.
Czym jest materia kwarkowa?
Od pewnego czasu naukowcy rozważają, czy ogromne ciśnienie centralne gwiazd neutronowych może kompresować neutrony w nową fazę materii. To tak zwana zimna materia kwarkowa. W tym egzotycznym stanie materii pojedyncze protony i neutrony przestają istnieć. Rozpadają się na swoje części składowe. Materia taka składałaby się z trzech rodzajów kwarków – dolnego, górnego oraz dziwnego. Od tego ostatniego przyjęło się nazywać ją materią dziwną.
– Wchodzące w skład jąder gwiazd neutronowych kwarki i spajające je gluony są uwalniane. Mogą poruszać się niemal swobodnie – wyjaśnia Aleksi Vuorinen, profesor fizyki cząstek elementarnych na Uniwersytecie w Helsinkach. Podobny stan panował we Wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu. Wtedy jednak temperatury były bardzo wysokie. Dlatego materię kwarkową w gwiazdach neutronowych określamy mianem zimnej.
Ile gwiazd zawiera materię kwarkową?
Według teoretycznych dociekań Vuorinena i jego zespołu, jądra 80%, a nawet 90% gwiazd neutronowych składają się z materii kwarkowej. Istnieje nawet niewielkie prawdopodobieństwo, że wszystkie gwiazdy neutronowe składają się wyłącznie z materii kwarkowej. Zmiana z materii jądrowej w kwarkową wymaga przejścia fazowego pierwszego rzędu, nieco przypominającego przemianę ciekłej wody w lód.
Gwiazdy całkowicie zbudowane z materii kwarkowej to tzw. gwiazdy dziwne. W zeszłym roku inna grupa badaczy znalazła kandydatkę na taki obiekt. To gwiazda HESS J1731-347.
Badania nad zimną materią kwarkową prowadzone były w międzynarodowym gronie. Trzonem grupy są naukowcy z Finlandii, Norwegii, Niemiec i USA. Rozważane są właśnie metody potwierdzenia tych badań. Jedną z nich ma być zarejestrowanie sygnału fal grawitacyjnych z ostatniej fazy istnienia układu podwójnego gwiazd neutronowych.
Obliczenia superkomputerów
Ale wielkie detektory fal grawitacyjnych, jak LIGO, który w połowie 2023 roku rozpoczął kolejną serię obserwacji, to jedno. Drugim kluczowym składnikiem w uzyskaniu nowych wyników jest zestaw ogromnych obliczeń superkomputerowych. Wykorzystują one wnioskowanie bayesowskie. To gałąź dedukcji statystycznej, w której wnioskuje się o prawdopodobieństwie różnych parametrów modelu poprzez bezpośrednie porównanie z danymi obserwacyjnymi.
Bayesowski komponent badań umożliwił naukowcom wyznaczenie nowych granic właściwości materii gwiazd neutronowych. Wykazał on m.in. zbliżanie się do tak zwanego zachowania konforemnego w pobliżu jąder najbardziej masywnych stabilnych gwiazd neutronowych.
– Fascynujące jest obserwowanie, w jaki sposób każda nowa obserwacja gwiazdy neutronowej pozwala nam z coraz większą precyzją dedukować właściwości materii tworzącej te gwiazdy – mówi dr Joonas Nättilä, jeden z głównych autorów artykułu. – Konieczne były miliony godzin pracy superkomputera, aby móc porównać nasze teoretyczne przewidywania z obserwacjami i ograniczyć prawdopodobieństwo istnienia jąder gwiazd z materii kwarkowej. Jesteśmy niezmiernie wdzięczni fińskiemu centrum superkomputerowemu CSC za udostępnienie nam wszystkich potrzebnych zasobów – dodaje Joonas Hirvonen, doktorant pracujący pod kierunkiem Nättilä i Vuorinena.
Źródło: Nature Communications.
