Физики создали аналог материи "мертвой звезды" в лаборатории

Физики из США создали миниатюрный аналог материи нейтронных звезд на ускорителе частиц CEBAF, что помогло им понять, какую роль играют протоны внутри этих сверхплотных объектов. Их выводы были представлены в журнале Nature.

"Мы взяли ядро с одинаковым числом протонов и нейтронов и проследили за тем, как поменяется поведение первых при добавлении большого числа вторых частиц. Конечно, это не полная копия того, что происходит в недрах нейтронных звезд, но, тем не менее, нам удалось уловить главные тренды и раскрыть некоторые секреты их работы", — рассказывает Ор Эн (Or Hen) из Массачусетского технологического института (США).

Нейтронные звезды представляют собой "выгоревшие" останки достаточно крупных звезд, чья жизнь завершилась в ходе мощнейшей вспышки сверхновой. Ядро светила, завершившего свою жизнь подобным образом, сжимается до "шарика" размером с крупный город на Земле, материя в котором сжата до такой степени, что электроны сливаются с протонами в ядрах атомов, и все останки звезды превращаются в гигантский комок нейтронов.

Что на самом деле представляют собой нейтронные звезды, как они выглядят изнутри и из каких слоев они состоят, является предметом ожесточенных дискуссий среди астрофизиков и физиков. К примеру, часть ученых считает, что недра нейтронных звезд могут содержать в себе экзотическую "кварковую жидкость", а другие исследователи полагают, что далеко не все протоны "погибают" при их формировании – "выживает" около 5-10% частиц.

Эти протоны, в свою очередь, играют важную роль в охлаждении поверхности нейтронной звезды, выступая в качестве своеобразных "фабрик" нейтрино, уносящих излишки тепла и энергии в открытый космос.

Эн и его коллеги, участвовавшие в коллаборации CLAS, выяснили, как они ведут себя внутри нейтронных звезд, наблюдая за тем, как электроны выбивали одиночные протоны и нейтроны из атомов дейтерия, углерода-12 и других элементов с равным числом этих частиц – алюминия-26 и железа-52.

В отличие от БАК и других современных ускорителей частиц, ускоритель CEBAF, на котором проводились эти опыты в 1998-2012 годах, записывал не только важные данные, но и все события, которые происходили внутри него. Это помогло ученым использовать его не только для наблюдений за структурой ядра атомов, чем они изначально занимались, но и моделирования недр нейтронных звезд.

Как объясняет Эн, когда электрон сталкивается с ядром этих трех элементов, возможно три варианта развития событий. Он или сольется с одним из протонов и превратится в нейтрон, или же выбьет один из нуклонов, или просто пролетит сквозь него. Изучая свойства пар нейтронов и протонов, "сбегающих" из этих ядер, ученые пытались понять, как устроены ядра этих элементов и как частицы движутся внутри них. 

Анализируя эти данные и сравнив их с тем, что происходит внутри ядра свинца, богатых нейтронами, физики натолкнулись на необычный феномен. Оказалось, что уменьшение числа протонов и добавление новых нейтронов почти не меняло свойства последних частиц, но при этом заставляло протоны двигаться быстрее.

Такие протоны, по словам Эна, будут активнее взаимодействовать с нейтронами и сильнее влиять на общее поведение недр "мертвых" звезд, чем сейчас предполагают ученые. Проверка этой теории станет возможной, если астрономам удастся проследить за слиянием нейтронных звезд в нашей галактике.

"Плотность, соотношение массы и размеров нейтронной звезды, а также скорость ее охлаждения будут влиять на то, как происходят эти слияния. Наше открытие заставляет нас заново задуматься о том, как ведут себя нейтронные звезды, чьи слияния породили большую часть элементов тяжелее железа, в том числе и золото", — заключает физик.

Источник