Кварковые звезды: что это и откуда они появляются

Что такое кварковые звезды - Как появляются кварковые звезды - Странные звезды и странная материя - Поиск кварковых звезд

Когда сверхновая звезда взрывается, от нее остается либо черная дыра, либо чрезвычайно плотная нейтронная звезда. Однако не все так просто. Расчеты показывают, что существует и третий вариант: «кварковая звезда», еще плотнее нейтронной, но недостаточно плотная, чтобы «схлопнуться» в черную дыру. Гипотезу о существовании кварковых звёзд впервые предложили Дмитрий Дмитриевич Иваненко и Дмитрий Федорович Курдгелаидзе в 1965 году.

Хорошая иллюстрация того, что такое кварки. Атом состоит из протонов и нейтронов, а те в свою очередь – из кварков

Что такое кварковые звезды и как они появляются?

Ранее считалось, что у гибнущей звезды достаточно крупной массы есть только два пути: либо “схлопнутся” в нейтронную звезды – маленькую, но очень тяжелую, либо “схлопнутся” ещё больше и превратится в черную дыру.

Так вот, выяснилось, что в этом процессе что-то может пойти не так. Предполагается, что внутри некоторых нейтронных звезд, буквально балансирующих на границе верхнего предел массы (после которого уже происходит “схлопывание” в черную дыру), при экстремальных температуре и давлении, элементарные частицы распадаются на кварки, создавая сверхплотную фазу кварковой материи. Предполагается, что при этом также появляются некие равновесные силы препятствующие дальнейшему гравитационному коллапсу звезды.

То есть с виду перед нами все та же нейтронная звезда, а вот на деле – уже нечто иное, со свойствами о которым во многом приходится только гадать.  Теоретически такой сценарий представляется вполне правдоподобным, но дело в том, что его невозможно доказать ни наблюдением, ни экспериментально, поскольку экстремальные условия, необходимые для стабилизации кварковой материи, не могут быть созданы ни в какой лаборатории и не наблюдаются непосредственно в природе. Устойчивость кварковой материи, а следовательно, и существование кварковых звезд, по этим причинам относится к числу нерешенных проблем физики.

Где могут образовываться кварковые звезды? Очевидно, что наиболее вероятным местом для нахождения материи кварковых звезд, были бы внутренности нейтронной звезды, причем не любой вообще, а той, внутреннее давление которой настолько велико, что элементарные частицы будут распадаться на кварки. В принципе, тех же условий можно достичь и при обычном взрыве сверхновой определенного размера –  звезда должна быть достаточно большой, чтобы превратится в нейтронную, но все же недостаточно большой, чтобы образовать черную дыру.

Кварковые звезды должны быть практически неотличимы от обычных нейтронных по всем параметрам, кроме излучения. Так как элементарные частицы в таких звездах уже распались на составные элементы, то и сами кварковые звезды не должны иметь свойств присущих элементарным частицам – т.е., к примеру, они могут иметь крайне слабое радиоизлучение, существенно меньшее электромагнитное поле или температуру поверхности по сравнению с нейтронными звездами.

Различие в строении нейтронной звезды и кварковой звезды.

Странные звезды и странная материя

Что вообще представляет собой гипотетическая “кварковая звезда”? Начнем издалека. Кварк – это фундаментальная частица в Стандартной модели из физики элементарных частиц. Если протон – одна из трех элементарных частиц (протон, нейтрон и электрон), то кварк – часть протона. Сами по себе кварки не наблюдаются и вообще, дать понятию “кварк” простое определение – не получится.

Но, существуют ещё и так называемые “странные кварки” (s-кварк) – третий и самый легкий из всех кварков, тип элементарной частицы. Странные кварки встречаются в субатомных частицах, называемых адронами. Почему они “странные”? Потому что в отличие от “нормальных” кварков u- и d- типов, s-кварки имеют значение квантового числа (изоспина) равное 0. И это… странно, во всяком случае с точки зрения физики элементарных частиц.

Так вот, если странных кварков собирается много, то имеет смысл говорить об “странной материи“, или точнее “странной кварковой материи”. В природе предполагается, что странная материя возникает в ядре нейтронных звезд, в виде отдельных сгустков, которые могут варьироваться по размеру от ничтожных величин до громадных по объему образований. При достаточно высокой плотности странная материя, как ожидается, будет сверхпроводящей и область рядом других удивительных свойств.

И, наконец – если гипотетическая кварковая звезда, будет состоять из странной кварковой материи, то такую звезду имеет смысл называть “странной звездой“, являющуюся отдельным подвидом кварковых звезд.

Интересно тут другое – если обычная кварковая материя, состоящая из верхних и нижних кварков (u- и d-кварков), обладает очень высокой энергией Ферми по сравнению с обычной атомной материей и стабильна только при экстремальных температурах и/или давлениях (т.е. единственными стабильными кварковыми звездами будут нейтронные звезды с ядром из кварковой материи, в то время как кварковые звезды, полностью состоящие из обычной кварковой материи, будут крайне нестабильны и самопроизвольно растворяться), то при большом количестве s-кварков, высокая энергия Ферми, может быть существенно снижена.

Таким образом, теоретически, “первобытные” кварковые звезды рожденные в начале космического фазового разделения случившегося сразу после Большого Взрыва, могут существовать вплоть до наших дней.

Нейтронные и кварковые звезды имеют сходные характеристики, поэтому гарантировано подтвердить наличие или отсутствие во вселенной кварковых звезд, наука пока не может

Зачем искать кварковые звезды?

Считается, что исследование кварковых звезд может пролить свет на процессы, проходившие во Вселенной вскоре после Большого Взрыва, ведь тогда вся она была заполнена именно такой кварковой материей, вдобавок еще и перегретой до триллионов градусов. К сожалению, до сих пор ни один факт наблюдения за подобными объектами не нашел достоверного подтверждения.

Группа китайских ученых во главе с Квон-Сан Ченом (Kwong-Sang Cheng) привели результаты собственного исследования сверхновой SN 1987A, одной из самых близких к нам.

Известно, что если такой процесс сопровождается образованием нейтронной звезды, то он сопровождается единичным сильным выбросом частиц-нейтрино. Однако наблюдая за SN 1987A с помощью сразу двух детекторов нейтрино в Японии и США (Kamiokande II и Irvine-Michigan-Brookhaven), астрономы установили, что выбросов было сразу два, разделенных заметным промежутком времени. Это, по мнению Чена и его коллег, может быть связано с двухступенчатым процессом коллапса сверхновой: сперва в нейтронную звезду, а затем – в кварковую.

«Такая модель вполне обоснованна и интересна, – говорит другой китайский физик Йон-Фен Хуань (Yong-Feng Huang), – она объясняет много важных характеристик сверхновой SN 1987A, и надеюсь, окажется верной».

Впрочем, последнее слово должны сказать новые рентгеновские орбитальные телескопы, которые готовятся к запуску через несколько лет: расчеты показывают, что именно на этих длинах волн нейтронные и кварковые звезды должны выглядеть совсем по-разному. Однако, имеющиеся аппараты не обладают достаточной мощностью для подобных исследований.

По состоянию на 2015 год существование кварковых звёзд считается недоказанным.