Слияния нейтронных звезд проливают свет на тайны кварковой материи
Во время слияния нейтронных звезд звезды быстро меняют форму и нагреваются, вызывая изменения в состоянии материи внутри них. Слияние может также производить кварковую материю, где элементарные частицы кварки и глюоны, обычно заключенные внутри протонов и нейтронов, освобождаются и начинают свободно двигаться. Согласно результатам исследований в кварковой материи, объемная вязкость достигает пика при значительно более низких температурах, чем в ядерной материи. Автор: University of Warwick/Mark Garlick
Нейтронные звезды — это остатки старых звезд, у которых закончилось ядерное топливо и которые подверглись взрыву сверхновой и последующему гравитационному коллапсу. Хотя их столкновения — или двойные слияния — редки, когда они происходят, эти жестокие события могут возмущать само пространство-время, создавая гравитационные волны, которые можно обнаружить на Земле за сотни миллионов световых лет.
Во время слияния нейтронных звезд звезды быстро меняют форму и нагреваются, вызывая изменения в состоянии материи внутри них. Слияние может также производить кварковую материю, где элементарные частицы кварки и глюоны, обычно заключенные внутри протонов и нейтронов, освобождаются и начинают свободно двигаться.
Профессор Алекси Вуоринен из Хельсинкского университета объясняет, как наше понимание свойств отдельных нейтронных звезд значительно продвинулось в последние годы. Однако мы все еще не до конца понимаем, что происходит при самых высоких плотностях или в динамических условиях.
«Описание слияний нейтронных звезд представляет особую сложность для теоретиков, поскольку все традиционные теоретические инструменты, по-видимому, так или иначе не срабатывают в этих зависящих от времени и по-настоящему экстремальных системах», — объясняет Вуоринен.
Определение объемной вязкости на основе теории струн и пертурбативной КХД
Объёмная вязкость (вторая вязкость) — параметр уравнения Навье — Стокса, наряду с динамической (сдвиговой) вязкостью, возникающий в сжимаемых жидкостях и газах. Вторая вязкость проявляется при объемных деформациях среды, например при распространении ударных волн, и приводит к дополнительной диссипации механической энергии.. В уравнении Навье—Стокса ρ ( ∂ v ∂ t + ( v ⋅ ∇ ) v ) = − ∇ p + η Δ v + ( ζ + η 3 ) ∇ div v {\displaystyle \rho \left({\frac {\partial \mathbf {v} }{\partial t}}+(\mathbf {v} \cdot \nabla )\mathbf {v} \right)=-\nabla p+\eta \Delta \mathbf {v} +\left(\zeta +{\frac {\eta }{3}}\right)\nabla {\text{div}}\,\mathbf {v} } вторая вязкость (объёмная вязкость) обозначена буквой ζ {\displaystyle \zeta } . В молекулярно-кинетической теории показывается, что для разреженных одноатомных газов объёмная вязкость приближенно равна нулю. Википедия
Исследователи из Хельсинкского университета совместно с коллегами за рубежом успешно определили объемную вязкость плотной кварковой материи, объединив два различных теоретических метода. Один из использованных подходов основывался на теории струн, а другой — на теории возмущений — классическом методе квантовой теории поля.
В целом, различные вязкости описывают, насколько «липким» является поток данной жидкости. Наиболее известным примером является сдвиговая вязкость, эффекты которой можно наблюдать в потоке таких веществ, как мед и вода: мед течет медленно, потому что у него высокая вязкость, в то время как вода течет быстрее из-за своей низкой вязкости.
С другой стороны, объемная вязкость описывает потерю энергии в системе, которая испытывает радиальные колебания, что означает, что ее плотность увеличивается и уменьшается периодически. Именно такие колебания происходят в нейтронных звездах и их слияниях, что делает объемную вязкость самым центральным транспортным коэффициентом для слияний нейтронных звезд.
В их исследовании, недавно опубликованном в Physical Review Letters, объемная вязкость кварковой материи была определена двумя способами: с использованием так называемой дуальности AdS/CFT, обычно называемой голографией, и теории возмущений.
В голографии свойства сильно связанных квантовых теорий поля определяются путем изучения гравитации в искривленном пространстве более высокой размерности. В случае кварковой материи это позволяет описывать систему при плотностях и температурах, присутствующих в столкновениях нейтронных звезд, где взаимодействия квантовой хромодинамики (КХД), теории сильного ядерного взаимодействия, очень сильны. Однако по техническим причинам метод не может напрямую описывать КХД, а скорее исследует феноменологическую модель с очень похожими свойствами.
Другой метод, использованный в новой работе, теория возмущений, является, пожалуй, наиболее широко используемым инструментом в теоретических исследованиях физики частиц. В этом подходе физические величины определяются как степенные ряды по константе связи теории, которая описывает силу взаимодействия. Этот метод может напрямую описывать КХД, но применим только при плотностях, намного превышающих плотности нейтронных звезд.
К радости исследователей, оба метода привели к очень похожим результатам, подтвердив идею о том, что в кварковой материи объемная вязкость достигает пика при значительно более низких температурах, чем в ядерной материи.
«Эта информация помогает нам понять поведение вещества нейтронных звезд во время их двойных слияний», — говорит научный сотрудник Академии Ристо Паателайнен из Хельсинки.
«Эти результаты также могут помочь в интерпретации будущих наблюдений. Например, мы могли бы искать вязкие эффекты в будущих данных по гравитационным волнам, а их отсутствие могло бы раскрыть создание кварковой материи при слияниях нейтронных звезд», — добавляет преподаватель университета Нико Йокела.
Больше информации: Jesús Cruz Rojas et al, Estimate for the Bulk Viscosity of Strongly Coupled Quark Matter Using Perturbative QCD and Holography, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.071901
Источник: University of Helsinki
0 комментариев