Десятиліттями фізики теоретизували про існування екзотичної матерії всередині нейтронних зірок – останків колапсуючих зірок, настільки щільних, що гравітація стискає атоми до їхніх фундаментальних компонентів. Тепер нові дослідження показують, що ми можемо незабаром підтвердити існування цієї матерії, яка востаннє існувала невдовзі після Великого вибуху, шляхом аналізу тонких спотворень у гравітаційних хвилях, що випускаються нейтронними зірками, що зливаються.
Екстремальна фізика нейтронних зірок
Нейтронні зірки – одні з найщільніших об’єктів у Всесвіті. Вони формуються, коли потужні зірки вмирають у вибухах наднових, вміщуючи масу нашого Сонця у сферу розміром приблизно з місто. Ця екстремальна щільність стискає протони та електрони разом, утворюючи нейтрони. Але глибше всередині цих зоряних останків гравітація може бути настільки величезною, що навіть нейтрони розпадаються на свої складові кварки і глюони, створюючи стан матерії, що називається кварк-глюонною плазмою.
Ця плазма має важливе значення, оскільки це той же стан матерії, яке існувало в ранні моменти Всесвіту, частки секунди після Великого вибуху. Виявлення її всередині нейтронних зірок надасть нам унікальну лабораторію вивчення умов, які неможливо відтворити Землі, крім прискорювачів частинок.
Як гравітаційні хвилі зберігають ключ
Ключ до розгадки цієї таємниці полягає у спостереженні за подвійними нейтронними зірками – парами цих зоряних трупів, що спірально зближуються один з одним. У міру їхнього зближення їхня інтенсивна гравітація деформує один одного, генеруючи бриж у просторі-часі, звану гравітаційними хвилями. Дослідники тепер вважають, що ці хвилі несуть у собі прихований відбиток внутрішньої структури нейтронних зірок.
Команда під керівництвом Ніколаса Юнеса з Університету Іллінойсу та Абхішека Хегаде з Прінстонського університету розробила теоретичну основу для розшифрування цього відбитка. Ідея полягає в тому, що приливні сили між нейтронними зірками викликають коливання всередині їх ядер, ніби дзвонять у дзвін. Частота цих коливань закладена у гравітаційних хвилях.
Подолання теоретичних перешкод
Однією з основних проблем було облік енергії, що втрачається через гравітаційні хвилі. Ньютонівська фізика надає повний набір вібраційних мод для об’єктів, але загальна теорія відносності ускладнює ситуацію. Юнес та Хегаде вирішили цю проблему, розглядаючи кожну нейтронну зірку окремо, розраховуючи вплив її компаньйона як зовнішню силу. Вони виявили, що розбиваючи проблему на менші масштаби, вони можуть точно описати повний набір вібраційних мод та їх відбиток на гравітаційних хвилях.
“Ми показали дві основні речі”, – сказав Хегаді. «По-перше, ми змогли відняти випромінювання, виявивши, що моди нейтронної зірки справді утворюють повний набір. По-друге, ми виявили, що якщо послідовно вирішувати певний набір рівнянь, використовуючи приливне поле, яке досить «гладке», то це рішення для внутрішньої частини зірки, і ви можете робити те саме в загальній теорії відносності, що і в ньютонівській гравітації».
Майбутнє досліджень нейтронних зірок
Хоча ця робота в даний час теоретична, наступне покоління детекторів гравітаційних хвиль, таких як пропоновані Cosmic Explorer і Einstein Telescope, може стати незабаром досить чутливим, щоб виявити ці тонкі спотворення. У разі успіху це може відкрити вікно в екстремальну фізику нейтронних зірок і дати нам уявлення про умови, які сформували ранній Всесвіт.
Розуміння внутрішньої будови нейтронних зірок — це фундаментальна фізика. Це допомагає нам уточнити наше розуміння гравітації, матерії при екстремальних щільностях та самого походження нашого Всесвіту. Найближчі кілька років обіцяють бути захоплюючими для цієї галузі.
