Najbardziej masywne gwiazdy neutronowe prawdopodobnie mają rdzenie z materii kwarkowej

Gwiazdy neutronowe są ostatnim etapem istnienia dużych gwiazd przed zapadnięciem się w czarną dziurę. Astronomowie byli przekonani, że ich jądra składają się z neutronów, które przeciwdziałają grawitacji i zamianie. Nowe badanie sugeruje jednak, że rdzenie największe z nich mogą składać się materii kwarkowej.

Atomy składają się z trzech elementów: protonów, neutronów i elektronów. Elektrony są rodzajem cząstek fundamentalnych, ale protony i neutrony są cząstkami złożonymi z kwarków górnych i dolnych. Protony mają 2 kwarki górne i 1 dolny, podczas gdy neutrony mają 2 kwarki dolne i 1 górny. Ze względu na osobliwą naturę oddziaływania silnego, kwarki te są zawsze ze sobą związane, nie mogą być prawdziwie wolnymi cząstkami, takimi jak elektrony, zwłaszcza w próżni. Jednak nowe badanie opublikowane w Nature Communications wykazało, że mogą one uwolnić się w sercach gwiazd neutronowych.

Gwiazdy neutronowe są pozostałościami po dużych gwiazdach. Stanowią one ostatnią próbę powstrzymania jądra gwiazdy przed zapadnięciem się w czarną dziurę. Po zużyciu całego paliwa gęstego jądra, jedyną rzeczą, która może przeciwdziałać grawitacji, jest ciśnienie kwantowe neutronów.

Prosty model gwiazdy neutronowej zakłada, że jej jądro jest wypełnione neutronami, które znajdują się na krawędzi zapadnięcia się w sobie. Mogą one uderzać o siebie z ogromną energią, ale nadal są neutronami. Znajdujące się w nich kwarki są zbyt mocno związane, aby neutrony mogły się rozpaść. Niektórzy twierdzą jednak, że na tej grawitacyjnej krawędzi neutrony mogą się rozluźnić, pozwalając swoim kwarkom łączyć się w rodzaj kwarkowej zupy. Oznaczałoby to, że gwiazdy neutronowe mogłyby mieć gęsty rdzeń kwarkowy.

Naukowcy niestety nie mogą stworzyć gęstej materii jądrowej gwiazdy neutronowej na Ziemi, ale mogą teoretycznie określić to, jak zachowuje się gęsta materia jądrowa poprzez jej równanie stanu. Równanie stanu to sposób na obliczenie masowych właściwości materiału, a w przypadku gwiazd neutronowych znane jest jako równanie Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (TOV). Jedynym problemem jest to, że TOV jest niezwykle złożone i jeśli użyje się go do obliczenia czy gwiazdy neutronowe mają jądro kwarkowe, odpowiedzią będzie: „być może”.

W najnowszym badaniu naukowcy przyjęli odmienne podejście, zamiast wykonywać obliczenia równania stanu, wzięli dane obserwacyjne dotyczące masy i wielkości gwiazd neutronowych i zastosowali statystykę opartą o prawdopodobieństwo subiektywne. Ta metoda statystyczna analizuje wzorce obserwacji i ekstrapoluje prawdopodobne scenariusze w subtelny, ale skuteczny sposób. W tym przypadku, jeśli gwiazdy neutronowe mają jądro kwarkowe, to są one nieco gęstsze niż gwiazdy neutronowe bez jądra kwarkowego. Ponieważ małe gwiazdy neutronowe prawdopodobnie nie mają rdzeni kwarkowych, podczas gdy najbardziej masywne gwiazdy neutronowe prawdopodobnie je mają, przesunięcie w relacji masa-gęstość powinno pojawić się w analizie prawdopodobieństwa subiektywnego.

Naukowcy odkryli, że masywne gwiazdy neutronowe, o masie większej niż dwa Słońca, mają od 80-90 porc. prawdopodobieństwa posiadania rdzeni kwarkowych. Badacze twierdzą, że prawdziwym pytaniem nie jest to, czy gwiazdy z rdzeniem z materii kwarkowej istnieją, ale raczej, gdzie znajduje się przejście między gwiazdami kwarkowymi a zwykłymi gwiazdami neutronowymi.

Obecnie astronomowie nie znają zarówno masy, jak i promieni jakie mają gwiazdy neutronowe, ale z czasem ulegnie to zmianie. Posiadając więcej danych, powinni być w stanie określić krytyczne przesunięcie fazowe między materią kwarkową a gęstą materią neutronową. Tym co jest pewne, zdaniem naukowców to to, że gwiazdy neutronowe są znacznie bardziej niezwykłe niż sądzili.

Emil Gołoś