Wymaganie spójności między fizyką gwiazd neutronowych i materią kwarkową prowadzi do pierwszego astrofizycznego ograniczenia dotyczącego tej egzotycznej fazy materii.
Najnowsze badania wykorzystują gwiazda neutronowa pomiary mające na celu wyznaczenie empirycznych ograniczeń siły kolorowych par nadprzewodzących w materii kwarkowej, ujawniając nowe spojrzenie na fizykę najgęstszej widocznej materii we wszechświecie dzięki obserwacjom astronomicznym.
Nadprzewodnictwo barwne
Przy ekstremalnie dużych gęstościach oczekuje się, że kwarki będą łączyć się w pary, podobnie jak elektrony w nadprzewodniku. Zjawisko to, zwane nadprzewodnictwem barwnym, zachodzi w ekstremalnych warunkach. Obliczenie siły tych par kwarków jest trudne, ale naukowcy od dawna rozumieją jej związek z ciśnieniem w gęstej materii. Mierząc rozmiary gwiazd neutronowych i sposób, w jaki odkształcają się podczas łączenia, badacze mogą oszacować ich ciśnienie wewnętrzne, potwierdzając, że gwiazdy neutronowe są najgęstszą widoczną materią we wszechświecie.
W ramach tego badania naukowcy przeanalizowali obserwacje gwiazd neutronowych, aby wywnioskować właściwości materii kwarkowej przy jeszcze wyższych gęstościach, gdzie z pewnością wystąpi kolorowe nadprzewodnictwo. Ich praca wyznacza pierwszą empiryczną górną granicę siły parowania nadprzewodników kolorowych.
Empiryczne spostrzeżenia z gwiazd neutronowych
Choć nadprzewodnictwo barwne jest przedmiotem zainteresowania fizyków teoretycznych od ponad dwudziestu lat, niniejsze badanie jest pierwszym, w którym wykorzystano dane pochodzące z gwiazd neutronowych do ustalenia empirycznych ograniczeń siły parowania. Ten przełom otwiera nową granicę w zrozumieniu materii kwarkowej poprzez astrofizyczne obserwacje gwiazd neutronowych.
Analiza materii kwarkowej oparta na danych
Pomiary z NICER, LIGO/Virgo i naziemne radioteleskopy zapewniają wgląd w ciśnienia i gęstości w jądrach różnych gwiazd neutronowych, przy czym każda z nich wiąże się z pewną niepewnością.
W ramach tego badania naukowcy przeprowadzili analizę statystyczną tych pomiarów, aby wyodrębnić zakres możliwych ciśnień przy gęstościach kwarku i materii. Naukowcy wiedzą, jakie byłoby ciśnienie materii kwarkowej przy tak dużych gęstościach, bez uwzględnienia parowania kwarków, zatem zakres możliwych odchyleń od wartości bazowej zapewnił badaczom biorącym udział w tym badaniu zakres efektów parowania zgodny z obserwacjami gwiazd neutronowych.
Umożliwiło to naukowcom określenie empirycznych granic siły parowania nadprzewodników kolorowych.
Odniesienie: „Astrophysical Equation-of-State Constraints on the color-Superconducting Gap” autorstwa Aleksi Kurkela, Krishna Rajagopal i Rachel Steinhorst, 24 czerwca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.262701
Prace te były wspierane przez Departament Energii, Biuro Naukowe, Biuro Fizyki Jądrowej.
