Кварки, мельчайшие строительные блоки материи, никогда не появляются в природе в одиночку. Они всегда прочно связаны внутри протонов и нейтронов. Однако нейтронные звезды, весящие столько же, сколько Солнце, но размером с город вроде Франкфурта, обладают настолько плотным ядром, что может происходить переход от нейтронной материи к кварковой.
Физики называют этот процесс фазовым переходом, аналогичным переходу жидкость-пар в воде. В частности, такой фазовый переход в принципе возможен, когда сливающиеся нейтронные звезды образуют очень массивный метастабильный объект с плотностями, превышающими плотность ядер атомов, и с температурами в 10 000 раз выше, чем в ядре Солнца.
Измерение гравитационных волн, излучаемых сливающимися нейтронными звездами, может служить вестником возможных фазовых переходов в космическом пространстве. Фазовый переход должен оставлять характерный след в гравитационно-волновом сигнале.
Исследовательские группы из Франкфурта, Дармштадта и Огайо (Университет Гете / FIAS / GSI / Кентский университет), а также из Дармштадта и Вроцлава (GSI / Вроцлавский университет) использовали современные суперкомпьютеры, чтобы вычислить, как может выглядеть эта подпись. Для этого они использовали разные теоретические модели фазового перехода.
В случае, если фазовый переход происходит еще раз после фактического слияния, небольшое количество кварков будет постепенно появляться по всему слитному объекту. «С помощью уравнений Эйнштейна мы смогли впервые показать, что это тонкое изменение в структуре вызовет отклонение в сигнале гравитационных волн до тех пор, пока вновь образованная массивная нейтронная звезда не схлопнется под собственным весом, образуя черный дыра », – объясняет Лучано Резцолла, профессор теоретической астрофизики в Университете Гете.
В компьютерных моделях Dr.
Андреас Баусвайн из GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung в Дармштадте: фазовый переход уже происходит сразу после слияния – ядро кварковой материи образуется внутри центрального объекта. «Нам удалось показать, что в этом случае будет отчетливый сдвиг частоты сигнала гравитационной волны», – говорит Баусвайн. «Таким образом, мы определили измеримый критерий фазового перехода в гравитационных волнах слияния нейтронных звезд в будущем."
Еще не все детали гравитационно-волнового сигнала можно измерить с помощью датчиков тока. Однако они станут заметными как с детекторами следующего поколения, так и с относительно близким нам событием слияния. Дополнительный подход к ответу на вопросы о кварковой материи предлагают два эксперимента: столкновение тяжелых ионов на существующей установке HADES в GSI и в будущем детекторе CBM в Центре исследования антипротонов и ионов (FAIR), который в настоящее время строится. в GSI будет производиться сжатое ядерное вещество.
В столкновениях можно создать температуры и плотности, аналогичные тем, которые возникают при слиянии нейтронной звезды. Оба метода позволяют по-новому взглянуть на возникновение фазовых переходов в ядерной материи и, следовательно, на ее фундаментальные свойства.