Десятилетиями физики теоретизировали о существовании экзотической материи внутри нейтронных звезд – останков коллапсирующих звезд, настолько плотных, что гравитация сжимает атомы до их фундаментальных компонентов. Теперь новые исследования показывают, что мы можем вскоре подтвердить существование этой материи, которая в последний раз существовала вскоре после Большого взрыва, путем анализа тонких искажений в гравитационных волнах, испускаемых сливающимися нейтронными звездами.
Экстремальная физика нейтронных звезд
Нейтронные звезды – одни из самых плотных объектов во Вселенной. Они формируются, когда массивные звезды умирают во взрывах сверхновых, вмещая массу нашего Солнца в сферу размером примерно с город. Эта экстремальная плотность сжимает протоны и электроны вместе, образуя нейтроны. Но глубже внутри этих звездных останков гравитация может быть настолько огромной, что даже нейтроны распадаются на свои составные кварки и глюоны, создавая состояние материи, называемое кварк-глюонной плазмой.
Эта плазма имеет важное значение, поскольку это то же состояние материи, которое существовало в самые ранние моменты Вселенной, доли секунды после Большого взрыва. Обнаружение ее внутри нейтронных звезд предоставит нам уникальную лабораторию для изучения условий, которые невозможно воспроизвести на Земле, за исключением ускорителей частиц.
Как гравитационные волны хранят ключ
Ключ к разгадке этой тайны заключается в наблюдении за двойными нейтронными звездами – парами этих звездных трупов, спирально сближающимися друг с другом. По мере их сближения их интенсивная гравитация деформирует друг друга, генерируя рябь в пространстве-времени, называемую гравитационными волнами. Исследователи теперь считают, что эти волны несут в себе скрытый отпечаток внутренней структуры нейтронных звезд.
Команда под руководством Николаса Юнеса из Университета Иллинойса и Абхишека Хегаде из Принстонского университета разработала теоретическую основу для расшифровки этого отпечатка. Идея заключается в том, что приливные силы между нейтронными звездами вызывают колебания внутри их ядер, как будто звонят в колокол. Частота этих колебаний заложена в гравитационных волнах.
Преодоление теоретических препятствий
Одной из основных проблем было учет энергии, теряемой через сами гравитационные волны. Ньютоновская физика предоставляет полный набор вибрационных мод для объектов, но общая теория относительности усложняет ситуацию. Юнес и Хегаде решили эту проблему, рассматривая каждую нейтронную звезду по отдельности, рассчитывая влияние ее компаньона как внешнюю силу. Они обнаружили, что, разбивая проблему на меньшие масштабы, они могут точно описать полный набор вибрационных мод и их отпечаток на гравитационных волнах.
«Мы показали две основные вещи», — сказал Хегаде. «Во-первых, мы смогли вычесть излучение, обнаружив, что моды нейтронной звезды действительно образуют полный набор. Во-вторых, мы обнаружили, что если последовательно решать определенный набор уравнений, используя приливное поле, которое достаточно «гладкое», то это решение для внутренней части звезды, и вы можете делать все то же самое в общей теории относительности, что и в ньютоновской гравитации».
Будущее исследований нейтронных звезд
Хотя эта работа в настоящее время теоретическая, следующее поколение детекторов гравитационных волн, таких как предлагаемые Cosmic Explorer и Einstein Telescope, может вскоре стать достаточно чувствительным, чтобы обнаружить эти тонкие искажения. В случае успеха это может открыть окно в экстремальную физику нейтронных звезд и дать нам представление об условиях, которые сформировали раннюю Вселенную.
Понимание внутреннего строения нейтронных звезд — это не только фундаментальная физика. Это помогает нам уточнить наше понимание гравитации, материи при экстремальных плотностях и самого происхождения нашей Вселенной. Ближайшие несколько лет обещают быть захватывающими для этой области.
