Další důkaz jádra z kvarkové hmoty v masivních neutronových hvězdách

Jádra neutronových hvězd obsahují hmotu o nejvyšších hustotách v našem vesmíru. Tato vysoce stlačená hmota může projít fázovým přechodem, kdy se jaderná hmota roztaví na dekonfigovanou kvarkovou hmotu a uvolní své základní kvarky a gluony. V současné době však není známo, zda k přechodu skutečně dochází uvnitř alespoň některých neutronových hvězd. V nové studii fyzikové z University of Helsinki, University of Stavanger, Flatiron Institute a Columbia University kvantifikovali tuto pravděpodobnost kombinací informací z astrofyzikálních pozorování a teoretických výpočtů.

Jádra neutronových hvězd obsahují hmotu v nejvyšších hustotách dosažených v našem současném vesmíru, přičemž až dvě sluneční hmoty jsou stlačeny uvnitř koule o průměru 25 km. Tyto objekty lze skutečně považovat za obří atomová jádra. Gravitace je stlačuje na hustoty, které mnohonásobně převyšují hustoty jednotlivých protonů a neutronů.

Tyto hustoty dělají z neutronových hvězd zajímavé astrofyzikální objekty z hlediska částicové a jaderné fyziky. Dlouhodobým otevřeným problémem je, zda obrovský centrální tlak neutronových hvězd může stlačit protony a neutrony do nové fáze hmoty, známé jako studená kvarková hmota. V tomto exotickém stavu hmoty již jednotlivé protony a neutrony neexistují.

„Jejich základní kvarky a gluony jsou místo toho osvobozeny ze svého typického barevného omezení a mohou se pohybovat téměř volně,“ vysvětluje Aleksi Vuorinen, profesor teoretické fyziky částic na Helsinské univerzitě.

V novém článku publikovaném v Nature Communications poskytl tým soustředěný na Helsinské univerzitě vůbec první kvantitativní odhad pravděpodobnosti jader kvarkové hmoty uvnitř masivních neutronových hvězd. Ukázali, že na základě současných astrofyzikálních pozorování je kvarková hmota u nejhmotnějších neutronových hvězd téměř nevyhnutelná: kvantitativní odhad, který tým extrahoval, vymezil pravděpodobnost v rozmezí 80–90 %.

Zbývající malá pravděpodobnost, že všechny neutronové hvězdy budou složeny pouze z jaderné hmoty, vyžaduje, aby změna jaderné hmoty na kvarkovou byla silným fázovým přechodem prvního řádu, poněkud připomínajícím přechod kapalné vody v led. Tento druh rychlé změny vlastností hmoty neutronové hvězdy má potenciál destabilizovat hvězdu takovým způsobem, že vytvoření byť jenom nepatrného jádra kvarkové hmoty by mělo za následek zhroucení hvězdy do černé díry.

Mezinárodní spolupráce vědců z Finska, Norska, Německa a USA dále ukázala, jak může být jednoho dne existence jader kvarkové hmoty buď plně potvrzena, nebo vyloučena. Klíčem je schopnost omezit sílu fázového přechodu mezi jadernou a kvarkovou hmotou, což se očekává, že bude možné, jakmile bude jednoho dne zaznamenán signál gravitační vlny z poslední fáze sloučení binárních neutronových hvězd.

Klíčovou složkou při odvozování nových výsledků byl soubor rozsáhlých superpočítačových výpočtů využívajících Bayesovu inferenci – odvětví statistické dedukce, kde se odvozují pravděpodobnosti různých parametrů modelu prostřednictvím přímého srovnání s pozorovanými daty.

Bayesovská složka studie umožnila výzkumníkům odvodit nové meze pro vlastnosti hmoty neutronových hvězd, což jim umožnilo přístup k takzvanému konformnímu chování v blízkosti jader nejhmotnějších stabilních neutronových hvězd.

Joonas Nättilä, jeden z hlavních autorů článku, popisuje práci jako interdisciplinární úsilí, které vyžadovalo odborné znalosti z astrofyziky, částicové a jaderné fyziky, a také informatiky. „Je fascinující konkrétně vidět, jak nám každé nové pozorování neutronových hvězd umožňuje odvodit vlastnosti hmoty neutronových hvězd s rostoucí přesností.“

„Museli jsme využít miliony hodin superpočítačového času, abychom mohli porovnat naše teoretické předpovědi s pozorováními a omezit pravděpodobnost výskytu jader kvarkové hmoty. Jsme nesmírně vděční finskému superpočítačovému centru CSC, že nám poskytlo všechny zdroje, které jsme potřebovali.“

Zdroj: https://phys.org/news/2023-12-evidence-quark-matter-cores-massive-neutron.html a https://www.sci.news/astronomy/massive-neutron-star-cores-deconfined-quark-matter-12573.html

autor: František Martinek