Иллюстрация нового метода: исследователи используют пятимерные черные дыры (справа) для расчета фазовой диаграммы сильно связанной материи (в центре), что позволяет моделировать слияния нейтронных звезд и возникающие гравитационные волны (слева). Предоставлено: Университет Гёте во Франкфурте-на-Майне.

За исключением черных дыр, нейтронные звезды являются самыми плотными объектами во Вселенной. Как следует из их названия, нейтронные звезды в основном состоят из нейтронов. Однако наши знания о материи, образующейся при столкновении двух нейтронных звезд, все еще ограничены. Ученые из Университета Гёте во Франкфурте и Азиатско-Тихоокеанского центра теоретической физики в Пхохане разработали модель, которая дает представление о материи в таких экстремальных условиях.

После того как массивная звезда сожжет свое топливо и взорвется как сверхновая, может образоваться чрезвычайно компактный объект, называемый нейтронной звездой. Нейтронные звезды необычайно плотны: чтобы достичь такой плотности внутри них, нужно было бы сжать такое массивное тело, как наше Солнце, до размеров города вроде Франкфурта. В 2017 году здесь, на Земле, впервые можно было непосредственно измерить гравитационные волны, небольшие колебания пространства-времени, возникающие при столкновении двух нейтронных звезд.

Однако состав полученного горячего и плотного продукта слияния точно неизвестен. До сих пор остается открытым вопрос, например, могут ли кварки, которые иначе захвачены нейтронами, появиться в свободной форме после столкновения. Доктор Кристиан Экер из Института теоретической физики Университета Гете во Франкфурте, Германия, и доктора Матти Ярвинен и доктор Туна Демирчик из Азиатско-Тихоокеанского центра теоретической физики в Пхохане, Южная Корея, разработали новую модель, которая позволяет им приблизиться на один шаг к ответу на этот вопрос.

В своей работе, опубликованной в Physical Review X, они расширяют модели ядерной физики, которые неприменимы при высоких плотностях, методом, используемым в теории струн для описания перехода к плотной и горячей кварковой материи. «Наш метод использует математическое соотношение, найденное в теории струн, а именно соответствие между пятимерными черными дырами и сильно взаимодействующим веществом, для описания фазового перехода между плотным ядерным и кварковым веществом», — объясняют доктор Демирчик и доктор Ярвинен.

«Мы уже использовали новую модель в компьютерном моделировании, чтобы вычислить сигнал гравитационных волн от этих столкновений и показать, что может образовываться как горячая, так и холодная кварковая материя», — добавляет доктор Экер, который реализовал эти модели в сотрудничестве с Сэмюэлем Тутлом и Конрад Топольски из рабочей группы профессора Лучано Резцоллы в Университете Гёте во Франкфурте.

Затем исследователи надеются, что смогут сравнить свои модели с будущими гравитационными волнами, измеренными из космоса, чтобы лучше понять кварковую материю в столкновениях нейтронных звезд.