برداشت هنرمند از لایه‌های مختلف در یک ستاره نوترونی عظیم، با دایره قرمز که هسته بزرگی از ماده کوارکی را نشان می‌دهد. اعتبار: Jurki Hokanen، CSC
یک تحلیل نظری جدید احتمال وجود ستارگان نوترونی عظیم را بین 80 تا 90 درصد نشان می‌دهد که هسته‌هایی از ماده کوارکی محدود نشده را در خود جای داده‌اند. نتیجه از طریق کار عظیم ابر رایانه با استفاده از استنتاج آماری بیزی به دست آمد.
هسته ستارگان نوترونی دارای بالاترین چگالی ماده است که در جهان کنونی ما به دست آمده است، با دو جرم خورشیدی ماده که در داخل کره ای به قطر 25 کیلومتر فشرده شده است. این اجرام اخترفیزیکی را می‌توان به‌عنوان هسته‌های اتمی غول‌پیکر در نظر گرفت، که گرانش هسته‌های آنها را به چگالی چند برابر بیشتر از پروتون‌ها و نوترون‌ها فشرده می‌کند.
این تراکم ها انجام می دهند ستاره های نوترونی اجرام اخترفیزیکی جالب از دیدگاه فیزیک ذرات و فیزیک هسته ای. یک مشکل باز دیرینه به این موضوع مربوط می‌شود که آیا فشار مرکزی عظیم ستاره‌های نوترونی می‌تواند پروتون‌ها و نوترون‌ها را در فاز جدیدی از ماده به نام ماده کوارک سرد فشرده کند. در این حالت عجیب و غریب از ماده، پروتون‌ها و نوترون‌ها دیگر وجود ندارند.
الکسی وورینن، استاد فیزیک ذرات نظری در دانشگاه هلسینکی، توضیح می‌دهد: «کوارک‌ها و گلوئون‌های تشکیل‌دهنده آنها در عوض از محدودیت رنگی معمولی خود رها می‌شوند و به آنها اجازه داده می‌شود تقریبا آزادانه حرکت کنند.
برداشت هنرمند از لایه‌های مختلف در یک ستاره نوترونی عظیم، با دایره قرمز که هسته بزرگی از ماده کوارکی را نشان می‌دهد. اعتبار: Jurki Hokanen، CSC
یک انتقال فاز قوی هنوز هم می تواند روز را خراب کند
در مقاله جدیدی که به تازگی در مجله منتشر شده است ارتباطات طبیعتتیمی از دانشگاه هلسینکی اولین تخمین کمی را از احتمال وجود هسته‌های ماده کوارکی در ستاره‌های نوترونی عظیم ارائه کردند. آنها نشان دادند که بر اساس مشاهدات اخترفیزیکی کنونی، ماده کوارک در پرجرم ترین ستارگان نوترونی تقریباً اجتناب ناپذیر است: یک تخمین کمی که توسط تیم به دست آمده است، احتمال را در محدوده 80 تا 90 درصد قرار می دهد.
احتمال کوچک باقی مانده که تمام ستارگان نوترونی فقط از ماده هسته ای تشکیل شده اند، مستلزم این است که تغییر از ماده هسته ای به ماده کوارکی یک انتقال فاز مرتبه اول قوی باشد، که تا حدودی شبیه به تبدیل شدن آب مایع به یخ است. این نوع تغییر سریع در خواص ماده ستاره نوترونی این پتانسیل را دارد که ستاره را به گونه‌ای بی‌ثبات کند که تشکیل حتی یک هسته کوچک از ماده کوارکی باعث فروپاشی ستاره به داخل شود. سیاه چاله.
یک همکاری بین‌المللی بین دانشمندان فنلاند، نروژ، آلمان و ایالات متحده موفق شده است تا نشان دهد چگونه وجود هسته‌های ماده کوارک ممکن است روزی به طور کامل تایید یا رد شود. نکته کلیدی این است که بتوانیم قدرت انتقال فاز بین ماده هسته ای و کوارکی را محدود کنیم، که انتظار می رود پس از سیگنال موج گرانشی از آخرین بخش یک باینری امکان پذیر باشد. ستاره نوترونی ادغام یک روز ثبت می شود.
یک ابر کامپیوتر عظیم با استفاده از داده های رصدی کار می کند
یک عنصر کلیدی در استخراج نتایج جدید، مجموعه‌ای از محاسبات ابررایانه عظیم با استفاده از استنتاج بیزی بود، شاخه‌ای از استنتاج آماری که در آن احتمالات برای پارامترهای مدل مختلف با مقایسه مستقیم با داده‌های مشاهده‌ای استنتاج می‌شود. مؤلفه بیزی این مطالعه به محققان اجازه داد تا محدودیت‌های جدیدی را در مورد خواص ماده ستاره‌های نوترونی به دست آورند و به آنها رویکردی به رفتار به اصطلاح هم‌نظم در نزدیکی هسته‌های پرجرم‌ترین ستاره‌های نوترونی پایدار نشان دهند.
دکتر Joonas Nättilä، یکی از نویسندگان اصلی مقاله، کار را به عنوان یک تلاش بین رشته ای توصیف می کند که به تخصص در اخترفیزیک، فیزیک ذرات و هسته ای و همچنین علوم کامپیوتر نیاز دارد. او قرار است در ماه می 2024 به عنوان دانشیار در دانشگاه هلسینکی شروع به کار کند.
دیدن اینکه چگونه هر رصد جدید از یک ستاره نوترونی به ما امکان می دهد تا با دقت فزاینده ای خواص ماده ستاره نوترونی را استنباط کنیم، شگفت انگیز است.
از سوی دیگر، جوناس هیروونن، دانشجوی دکترا که زیر نظر Nättilä و Vuorinen کار می کند، بر اهمیت محاسبات با کارایی بالا تأکید می کند:
ما مجبور شدیم از میلیون‌ها ساعت CPU از زمان ابر محاسباتی استفاده کنیم تا بتوانیم پیش‌بینی‌های نظری خود را با مشاهدات مقایسه کنیم و احتمال هسته‌های ماده کوارکی را محدود کنیم. ما از مرکز سوپرکامپیوتر فنلاند CSC به خاطر ارائه تمام منابع لازم به ما بسیار سپاسگزاریم!»
مرجع: “ماده با تعامل قوی رفتار نامحدودی را در ستارگان نوترونی عظیم نشان می دهد” توسط ایملی آنالا، تایلر گوردا، جوناس هیروونن، اولگ کومولتسف، الکسی کورکلا، جوناس نتیلا و الکسی وئورینن، 19 دسامبر 2023، ارتباطات طبیعت.
DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y
