Кваркові та гіперонні зорі: екзотичні аналоги нейтронних зірок

Ідею існування таких зір уперше запропонували український фізик Дмитро Іваненко (1904–1994) та Давид Курджеладзе у 1965 році  [2]. В умовах надвисокої густини маса нейтронів переступає поріг, при якому вони «плавляться»у скупчення кварків (зазвичай – up, down і strange). За цією гіпотезою кваркова зоря може існувати між нейтронною зорею та чорної дірою за радіусом і щільністю. Нейтронні зорі зазвичай мають маси ~1,4–2 M☉ і радіуси ~10 км, що дає середню густину ρ ≈ 3M/(4πR³) ~ 10^18 кг/м³ – майже як у ядрі атома. Для порівняння, наше Сонце (1 M☉, R ~ 7×10^5 км) у 10^6 разів об’ємніше і відчутно рідше (ρ ≈ 1400 кг/м³). Важливий факт: маса M перетворюється на енергію за знаменитою формулою E = m c², тому колосальна маса кваркової зорі відповідає нечуваним енергіям.

Внутрішня будова нейтронної та кваркової зір: у нейтронній зорі (ліворуч) кварки сконфайновані всередині нейтронів, а в кварковій (праворуч) – розв’язані. Кваркові зорі – гіпотетичні компактні світила, ядро яких складається з кваркової матерії.[1]

Гіперонні зорі: гіперони у серцях зір

Гіперонні зорі – це нейтронні зорі, ядра яких просякнуті гіперонами – важкими баріонами, що містять странж-кварки (наприклад Λ, Σ, Ξ). Перші гіперони відкрили Робчестер і Батлер у 1947 році, а перше гіпер’ядеро – Даниж і Пневський у 1953 році  [3]. Ще 1960 року Віктор Амбарцумян (1908–1996) та Григорій Саакян (1918–1998) підрахували, що за щільності ~2–3× нормальної густини ядерної матерії у нейтронних зорях з’являються гіперони  [3]. Їхня поява зазвичай пом’якшує рівняння стану зоряної матерії, знижуючи максимальну масу зорі (так званий «гіперонний пазл»). Однак відкриття важких пульсарів масою ≈2 M☉ (наприклад, PSR J1614–2230) показало, що всередині деяких нейтронних зір можуть діяти додаткові взаємодії, які дозволяють утримувати таку велику масу навіть із гіперонами.

Зі звичайних зір — до надщільних компакцій

Звичайні зорі, як-от Сонце, підтримуються термоядерним синтезом і мають нескінченно нижчу густину. Після вибуху наднової зорі залишається нейтронна зоря – розміром кілька десятків кілометрів з масою як у сонця. Це найщільніші об’єкти у Всесвіті після чорних дір (щіпка речовини нейтронної зорі важить близько трильйонафунтів)  [4]. Їхнє ядро настільки компактне, що навіть електрони при дуже високих тисках зливаються з протонами, утворюючи нейтрони. Але в ще екстремальніших умовах можуть виникати і інші форми матерії: тонкий кварковий суп із вільних up-, down- та strange-кварків або конденсат екзотичних частинок  [5] [4]. Зокрема, астрономи припускають, що в ядрі деяких нейтронних зір є звільнені кварки або майже вільні кварки, що так чи інакше впливають на їхнє спостережуване випромінювання.

Магнітне поле, яке тягнеться з полюсів нейтронної зорі, утворює спалахи і викиди, що реєструють сучасні телескопи.

Згідно з сучасними моделями, гіпотетична кваркова зоря може бути ще меншою за розміром (R ≲10 км) та дещо більш масивною, ніж звичайна нейтронна (M до ~2–3 M☉). У ній всі частинки вже не є поодинокими нейтронами чи протонами, а фактично злиті в суцільну кваркову рідину. Такі зорі іноді називають ще дивними зорями, бо вони можуть містити багато strange-кварків  [6]. За гіпотезою, якщо дивна кваркова матерія – це справжній основний стан речовини при надщільності, то спостережувані пульсари можуть бути не нейтронними зорями, а саме дивними кварковими зорями [6]. Зокрема, ще у 1970-х роках Ясуо Ітох (1929–?) вивів статичну модель гравітаційної рівноваги таких «гіпотетичних кваркових зір» (Prog. Theor. Phys. 1970). Потім з’явилися гіпотези А. Бодмера, Е. Віттена (1984) та інших про те, що strange-морозива могло б бути найстабільнішим матеріалом.

Нейтронна зоря: художнє уявлення потужної пульсарної магнітосфери і надвисокої густини в надщільному тілі зорі  [5]

Сучасні спостереження та перспективи

Щоб виявити екзотичні зорі, астрономи порівнюють вимірювання мас та радіусів пульсарів з прогнозами різних моделей. З останніх великих результатів – низка вимірювань швидкого охолодження молодих нейтронних зір. Спостереження Чандри та XMM-Newton показали, що деякі дуже молоді нейтронні зорі значно холодніші, ніж очікувалося [4] [7]. Це може свідчити про активацію особливих процесів випромінювання нейтрино (наприклад, за участі гіперонів або кваркової матерії) в надгустих центрах цих зір. Аналіз даних припускає, що близько 75% моделей рівнянь стану речовини без екзотики не описують ці зорі [4]. Тобто спостереження поступово відсіюють моделі, ускладнюючи картину.

Рентгенівська подвійна зоря: художнє уявлення системи, де нейтронна зоря (праворуч) витягує газ із компаньйона [1].

Моніторинг таких систем допомагає виміряти масу нейтронних зір і дослідити їхнє середовище. У перспективі очікують, що детектор гравітаційних хвиль LIGO/Virgo, космічні рентгенівські обсерваторії та великі телескопи знайдуть прямі ознаки кваркового або гіперонного ядра (наприклад, під час злиття двох нейтронних зір можуть утворюватися дивнозоряні залишки). Наразі ж чистих доказів існування окремих кваркових чи гіперонних зір поки немає, але сучасні відкриття поступово звужують можливі моделі їхньої структури [4].

Висновки

Кваркові і гіперонні зорі – надзвичайно екзотичні гіпотези: вони повинні містити такі форми матерії, які не спостерігалися досі. Однак дедалі точніші астрономічні виміри мас, радіусів та теплових емісій нейтронних зір доводять, що деякі стандартні уявлення потрібно розширити  [4] [7]. Можливо, що ніщо не заважає природі експериментувати з кварковим «супом» у надщільних ядрах. Подальші спостереження та нові відкриття можуть або спростувати, або виявити хоча б сліди цих дивних світил.

Список використаних джерел:

1.         European Space Agency. Neutron Star/Quark Star Interior. 03.01.2008. URL: esa.int

2.         Вікіпедія. Кваркова зоря. URL: uk.wikipedia.org

3.         Logoteta, D. Hyperons in Neutron Stars. Universe, 2021, 7(11), 408. DOI: https://doi.org/10.3390/universe7110408

4.         NASA. NASA’s Chandra Peers Into Densest and Weirdest Stars. For Release: June 20, 2024. URL: ) chandra.harvard.edu

5.         European Space Agency. A neutron star. 17.06.2024. URL:esa.int

6.         Zhang, X.-L., Huang, Y.-F., Zou, Z.-C. Recent progresses in strange quark stars. Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 21 August 2024, Volume 11, 2024. DOI: frontiersin.org

7.      European Space Agency. Too young to be so cool: Lessons from three neutron stars. Phys.org, June 20, 2024. URL: phys.org.