Gwiazdy neutronowe a materia kwarkowa

Materia kwarkowa to ekstremalnie gęsta faza materii złożonej z cząstek subatomowych zwanych kwarkami. Według najnowszych badań może ona istnieć wewnątrz gwiazd neutronowych oraz można ją na krótkie momenty wytworzyć w zderzaczach cząstek takich jak LHC, na Ziemi. Jednak zbiorcze zachowanie materii kwarkowej nie jest takie łatwe do opisania. Podczas wykładu, który miał miejsce w tym ygodniu w CERN, Aleksiej Kurkela z Uniwersytetu w Stavanger (Norwegia) opisywał jak dane o gwiazdach neutronowych pozwoliły mu i jego współpracownikom nałożyć ciasne ograniczenia na zachowanie materii w tej ekstremalnej formie.

Kurkela wraz ze współpracownikami wykorzystał właściwość gwiazdy neutronowej wywnioskową z obserwacji prowadzonych za pomocą LIGO oraz VIRGO, które to obserwatoria zarejestrowały fale grawitacyjne – zmarszczki w czasoprzestrzeni – wyemiotowane w momencie połączenia dwóch gwiazd neutronowych. Owa właściwość opisuje sztywność gwiazdy w reakcji na naprężenia spowodowane przyciąganiem grawitacyjnym gwiezdnego towarzysza.

W celu opisania zbiorczego zachowania materii kwarkowej, fizycy zazwyczaj wykorzystują równania stanu, które odnoszą ciśnienie stanu materii  do innych właściwości stanu. Jednak wciąż przed nimi stoi zadanie stworzenia unikalnego równania stanu dla materii kwarkowej, jak na razie udało się wyprowadzić ylko rodziny takich równań. Wprowadzając wartości pływowej odkształcalności gwiazd neutronowych obserwowane przez LIGO oraz Virgo do rodziny równań stanu materii kwarkowej w gwieździe neutronowej, Kurkela wraz ze współpracownikami byli w stanie znacząco zmniejszyć rozmiary rodziny równań. Taka zmniejszona rodzina nakłada ściślejsze ograniczenia na właściwości materii kwarkowej oraz bardziej ogólnie na materii jądrowej w wysokich gęstościach, niż były dotąd dostępne.

Wyposażeni w takie wyniki, badacze następnie odwrócili problem i wykorzystali ograniczenia materii kwarkowej do wywnioskowania właściwości gwiazd neutronowych. Wykorzystując to podejście, zespół badaczy określił związek między promieniem a masą gwiazdy neutronowej i odkrył, że maksymalny promień gwiazdy neutronowej o masie 1,4 masy Słońca wynosi od 10 do 14 km.

Źródło: CERN