Возможны ли кварковые звезды?

Нейтронная звезда по сравнению с городом

Нейтронная звезда может быть размером с город с массой больше, чем у Солнца. Теоретическая кварковая звезда была бы еще плотнее. (Изображение предоставлено НАСА / Центр космических полетов Годдарда)





Пол Саттер астрофизик в Государственный университет Огайо и главный научный сотрудник Научный центр COSI . Саттер также является ведущим Спросите космонавта а также Космическое радио , и ведет АстроТуры вокруг света. Саттер опубликовал эту статью для журнала Expert Voices: Op-Ed & Insights на guesswhozoo.com.

Ваше тело состоит из клеток. Увеличьте эти ячейки, и вы найдете группу молекул, которые состоят из атомов. Сосредоточьтесь на ядрах этих атомов, и вы увидите протоны и нейтроны. Взломайте одну из этих открытых частиц - и выскочите из нее кварки, крошечные фундаментальные частицы, которые интересным образом объединяются, образуя более тяжелые и более знакомые частицы, из которых состоит наш повседневный опыт.

Когда вы сталкиваетесь с твердым объектом, большая часть его прочности обусловлена ​​электростатическим отталкиванием между атомами. Если вы надавите на камень, атомы сопротивляются дальнейшему сжатию, и вы не сможете надавить сильнее - до определенного предела. Если вы толкнете очень, очень сильно, вы можете заставить ядра вместе и сплавить новые элементы , но это уже другая статья. [ Странный мир квантовой физики может управлять жизнью ]



Вы также можете столкнуться со странными источниками давления в неожиданных ситуациях. Например, если вы возьмете облако случайных электронов и охладите его до абсолютный ноль (Я знаю, что это невозможно, но это мысленный эксперимент, так что работайте со мной здесь), вы также ожидаете, что давление упадет до нуля. В конце концов, это просто газ, в котором давление зависит от температуры. Но вместо этого природа играет шутку, и вы обнаружите, что сопротивление будет столь же сильным, если не более сильным, чем если бы вы пытались сжать камень.

Смиренно выродившийся

Это давление возникает из-за неожиданной причуды квантовой механики. Во Вселенной есть два типа фундаментальных строительных блоков: фермионы (например, электроны и кварки) и бозоны (например, фотоны). И единственное свойство, которое разделяет составляющие космоса на эти два лагеря, - это то, как они себя ведут, когда мы пытаемся объединить их квантовые состояния. Этот термин «квантовое состояние» просто относится к списку чисел, которые мы используем для описания частицы в конкретной системе: ее уровень энергии, угловой момент, ориентация вращения , и так далее.

И оказывается, что никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии: они никогда не могут иметь один и тот же набор описательных квантовых чисел в системе, в то время как бозоны могут это делать совершенно свободно. Сначала это было просто постулируемое правило природы, основанное на экспериментальных данных, но его истоки лежат в связи между квантовой механикой и специальной теорией относительности ... и это еще одна статья.



Это означает, что если сжать два фермиона вместе до абсолютного нуля, оба фермиона не могут занимать одно и то же основное состояние с нулевой энергией. Один должен имеют другую конфигурацию, например, более высокую энергию или другую ориентацию спина, чем другие. Обойти это просто невозможно - это заложено в базовую конфигурацию нашей Вселенной. Это означает, что целый сгусток электронов, даже охлажденный до абсолютного нуля, будет решительно нет имеют нулевую энергию, и эта энергия проявится как давление, сопротивляющееся дальнейшему коллапсу.

Даже если вы не на абсолютном нуле (потому что никогда не достигнете), электроны все еще могут иметь сильное давление. Говорят, что в такой ситуации частицы находятся в «вырожденном» состоянии. Когда это происходит в природе, как в ядре мертвой звезды, мы получаем белого карлика.

Но это давление тоже можно преодолеть. Если гравитация слишком сильна (в частности, если масса белого карлика превышает 140 процентов массы Солнца), электронное «давление вырождения» не может конкурировать, и белый карлик коллапсирует.



Нейтроны спешат на помощь

Но это не совсем односторонний путь к катастрофическому коллапсу и гибели сингулярности черной дыры. Во время массового сжатия электроны могут попасть внутрь любых ошибочных протонов, превратив их в дополнительные нейтроны. Поскольку почти весь материал внутри звезды превратился в плотный нейтронный суп, дальнейший коллапс предотвращается за счет нейтрон давление вырождения, способное сформировать остаточное ядро, в пару раз превышающее массу Солнца, но не больше маленького городка: нейтронная звезда .

У нейтронных звезд тоже есть предел веса, но это число немного сложнее определить, потому что мы не совсем понимаем запутанную физику, происходящую глубоко внутри их ядер. Но у нас есть приблизительное предположение, и это примерно в три раза больше массы Солнца. Если он достигает этой массы, что-то должно уступить.

Так это что Это? Едет ли коллапсирующий массивный объект на поезде прямо от нейтронной звезды к черной дыре, или есть какие-то другие остановки?

Кварки спешат на помощь?

Если вы разорвите пучок нейтронов, вы получите поток кварков, которые сами по себе являются фермионами и вполне способны создавать давление вырождения, большое вам спасибо. Так может это гипотетический кварковая звезда существовать? Их создает природа? [ 7 странных фактов о кварках ]

Теоретически сложно сказать. Мы действительно не очень хорошо понимаем физику кваркового уровня. Отчасти проблема в том, что кварки застенчивы и не хотят видеться по отдельности; они только в группах. Итак, мы не можем просто спросить один-единственный кварк, чем он любит заниматься, для развлечения. А физика сгруппированных кварков ужасно сложна - мы просто не знаем, могут ли они образовывать стабильные структуры в нужных нам масштабах.

С точки зрения наблюдений тоже сложно сказать. Снаружи и издалека (то есть с Земли) кварковая звезда будет очень похожа на нейтронную звезду: массивный компактный объект, излучающий излучение и обладающий безумно сильными магнитными полями. Могут быть некоторые крошечные, почти непостижимые различия в их электромагнитной сигнатуре, но ничего, что легко обнаружить - иначе, что ж, мы бы уже кое-что нашли. И, возможно, нейтронные звезды действительно содержат в своих центрах ядро, поддерживаемое кварками, но, как я уже сказал, мы не очень хорошо понимаем физику.

Если кварковые звезды действительно существуют, они должны быть очень редкими, так как это очень узкое окно между условиями, необходимыми для создания обычной нейтронной звезды ванили и полной черной дыры. Так что даже если мы разберемся с математикой и выясним, что кварковые звезды технически допускаются известными законами физики, вполне вероятно, что природа на самом деле не заботится о них, и мы все равно не найдем ни одной.

Ну что ж. Стоило попробовать.

Узнайте больше, послушав серию - Можно, пожалуйста, несколько кварковых звезд? в подкасте 'Спроси космонавта', доступном на iTunes и в Интернете по адресу askaspaceman.com . Спасибо @wiegeabo, @ShamanicPistol и Ларри Б. за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter а также facebook.com/PaulMattSutter .

Подписывайтесь на нас @Spacedotcom , Facebook а также Google+ . Оригинальная статья о guesswhozoo.com .