В ЮФУ презентували нову модель компактних зірок, що відкриває шлях до вивчення нової фізики.

З давніх-давен зірки на небі хвилювали свідомість людства, стаючи джерелом натхнення та наукового інтересу. Спостереження за ними та закони фізики дозволили вченим створити теорію зіркової еволюції, яка описує різні стадії їхнього життєвого циклу. Одна з ключових стадій — це етап, коли речовина зірки стискається до щільності, характерної для атомного ядра. Такі стани відкривають унікальні можливості для вивчення матерії в екстремальних умовах, дозволяючи вченим виходити за межі стандартних моделей фундаментальних сил природи.

Прецизійні дані сучасної космології підтверджують, що в нашій Всесвіті домінують прихована маса та темна енергія. Їх опис вимагає перегляду поточних фізичних моделей. Як зазначає провідний науковий співробітник НДІ Фізики ЮФУ, доктор фізико-математичних наук, професор Максим Хлопов: «Такий вихід необхідний і для опису початкових умов еволюції Всесвіту, що залучає інфляцію та баріосинтез, механізми яких не можуть ґрунтуватися лише на відомих фізичних законах. Таким чином, нинішня стандартна космологічна модель залучає фізику поза рамками стандартних моделей фундаментальних взаємодій. Дослідження цієї фізики базуються на поєднанні експериментальних фізичних і астрофізичних досліджень. У останніх аналіз природних умов стану речовини в компактних зірках займає важливе місце».

У процесі еволюції зірки проходять через стадії, на яких їхня речовина стискається до надзвичайно високих щільностей. Це призводить до значного зменшення розмірів зірок, роблячи їх усе більш компактними. Таке стиснення масивних зірок призводить до їхнього колапсу в чорні діри. Результатом еволюції зірок, маса яких менша, ніж 2–3 маси Сонця, вважається утворення нейтронних зірок, речовина яких стиснута до щільності атомного ядра. Однак опис макроскопічного стану речовини при таких щільностях може суттєво відрізнятися від структури атомних ядер.

Зазвичай вважається, що при таких щільностях речовина нейтронних зірок складається зі стабільних нейтронів, які не розпадаються, як це відбувається зі вільними нейтронами. Але вчені ЮФУ у своєму дослідженні запропонували альтернативне пояснення — при цих щільностях може відбуватися перехід у так зване «кольорово-ароматне» стан. У цьому стані протони та нейтрони, з яких складаються атомні ядра, можуть розкладатися на кварки, утворюючи гігантську «сверхтекучу кваркову краплю». Цікаво, що в цьому стані беруть участь не лише легкі кварки, але й більш важкі кварки «странності», які виявляються стабільними в таких умовах.

Термін «кольорово-ароматне стан» може здаватися незвичайним, але за ним ховається глибокий фізичний зміст. У квантовій хромодинаміці — теорії, що описує сильну взаємодію між кварками — вводяться особливі характеристики частинок, які фізики образно назвали «кольором» і «ароматом».

«Колір» кварка — це специфічний квантовий заряд, що приймає одне з трьох значень, умовно названих червоним, зеленим і синім (існують також антикольори). Важливо зазначити, що ці «кольори» не мають нічого спільного з видимими кольорами. Це всього лише аналогія: як поєднання всіх кольорів видимого спектра дає білий колір, так і комбінація трьох кваркових «кольорів» формує «безбарвний» стан, який може існувати в природі, як, наприклад, у протонах і нейтронах.

«Аромат» — це інша фундаментальна характеристика кварків, що визначає їх тип. Існує шість «ароматів»: верхній, нижній, чарівний, дивний, істинний і прекрасний. Ці назви — умовні позначення, які не мають відношення до запахів. У звичайній речовині зустрічаються лише верхні та нижні кварки, але при високих щільностях і температурах можуть з'являтися й більш важкі «аромати».

Коли фізики говорять про «кольорово-ароматне» стан матерії в надщільних зірках, вони мають на увазі особливий квантовий стан, в якому кварки різних «ароматів» і «кольорів» формують складні структури. Таке стан принципово відрізняється від звичайної ядерної речовини і може призводити до виникнення абсолютно нових властивостей матерії.

Мета дослідження, результати якого опубліковані у Chinese Journal of Physics, полягала в вивченні можливості існування такого кольорово-ароматного кваркового стану в компактних зірках.

«На основі рішень рівнянь загальної теорії відносності отримано опис кваркового стану речовини та структури компактних зірок. Ми дійшли висновку про те, що таке опис не лише є реалістичним, але й призводить до нових висновків про можливі властивості компактних зірок», – зазначив Максим Хлопов.

Отримані вченими результати відкривають нові горизонти для астрономічних досліджень. Розроблена модель дозволяє передбачити існування зірок з масами, значно перевищуючими межі, прийняті для нейтронних зірок. Це відкриття може призвести до перегляду даних спостережень за такими об'єктами та їх інтерпретації.

«Нові рішення для опису структури зірок призводять до передбачення нових типів небесних об'єктів і інтерпретації як даних астрономічних спостережень, так і процесів злиття компактних зірок, доступних методам багатоканальної астрономії», – підкреслює вчений.

У рамках цієї роботи вчені склали графіки, що описують залежність маси і радіуса зірок від їхньої щільності, що дозволило точніше моделювати можливі властивості компактних об'єктів.

Ці дослідження ЮФУ проводилися за фінансової підтримки Міністерства науки та вищої освіти Росії. Результати роботи можуть виявитися важливими як для інтерпретації гравітаційно-хвильових сигналів від злиттів компактних зірок, так і для аналізу процесів, що відбуваються в таких системах. За словами Максима Хлопова, співпраця з індійськими колегами, яка триває протягом багатьох років, надає відмінні можливості для подальших досліджень.

Це стосується не лише вивчення нових форм матерії, але й їх еволюції та астрофізичних проявів. Важливість цих досліджень полягає в тому, що вони розширюють методи вивчення фізики за межами стандартних моделей фундаментальних взаємодій, пропонуючи нові підходи до освоєння цієї області. При цьому важливу роль відіграє досвід групи індійських