Цветная сверхпроводимость кварков может объяснить стабильность массивных нейтронных звезд

Описание материи в экстремальных условиях, таких как те, что существуют внутри нейтронных звезд, остается нерешенной проблемой. Плотность такой материи эквивалентна сжатию примерно 100 000 Эйфелевых башен в один кубический сантиметр. Особую роль играют свойства так называемой кварковой материи, состоящей из фундаментальных строительных блоков Вселенной — кварков, которая может существовать в чрезвычайно плотных областях.

Двумерные априорное (серое) и апостериорные (оранжевое, зеленое) распределения для величины щели КФЛ ΔCFL* и параметра масштабирования σ. Оранжевое распределение соответствует консервативному ансамблю, зеленое — симметричному. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/54g5-43nk

Исследователи из Технического университета Дармштадта и Университета Гёте во Франкфурте изучили эту материю и ее термодинамические свойства. Их выводы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Теоретические исследования предполагают, что кварки при очень низких температурах переходят в так называемое состояние цветной сверхпроводимости, которое фундаментально меняет природу материи. Это состояние аналогично переходу электронного газа в электрический сверхпроводник, с той разницей, что вместо электронов пары образуют кварки, создавая энергетическую щель в их спектре возбуждения.

Однако, в отличие от обычных сверхпроводников, цветной сверхпроводник, как правило, не проводит электрический ток без сопротивления, а скорее цветной заряд кварков. Этот заряд в конечном итоге определяет силу взаимодействия между этими элементарными строительными блоками материи.

Как кварковое спаривание меняет материю

Образование кварковых пар и возникающая энергетическая щель коренным образом меняют поведение материи. Даже относительно слабые эффекты спаривания оказывают значительное влияние на материю и ее термодинамические свойства.

Андреас Гайссель, Тайлер Горда и Йенс Браун подробно анализируют эти эффекты. Они рассчитывают поправочные члены, возникающие из-за спаривания и взаимодействия кварков, учитывая при этом специфические условия внутри нейтронных звезд. Это позволяет исследовательской группе определить как термодинамическое давление, так и скорость звука в цветной сверхпроводящей кварковой материи.

Последствия для нейтронных звезд

Результаты показывают, что состояние цветной сверхпроводимости термодинамически предпочтительно при высоких плотностях. Более того, это состояние приводит к значительному увеличению скорости звука — прямой меры механической стабильности материи. Согласно расчетам, скорость звука в недрах нейтронных звезд может превышать 60% скорости света, то есть более 180 000 километров в секунду. Эта цифра становится еще более впечатляющей при сравнении со скоростью звука в самом твердом земном «бытовом материале» — алмазе, которая в 10 000 раз ниже.

Численное моделирование также предполагает, что такие высокие скорости звука необходимы для объяснения стабильности самых массивных из известных нейтронных звезд. Работа Гайсселя, Горды и Брауна теперь предполагает, что цветная сверхпроводящая материя может быть ключевым ингредиентом в объяснении массивных нейтронных звезд, и что наблюдения за этими звездами, в свою очередь, могут помочь лучше определить энергетическую щель в кварковом спектре.

Интересный факт: Нейтронные звезды — одни из самых плотных объектов во Вселенной. Они образуются в результате гравитационного коллапса ядер массивных звезд после взрыва сверхновой. Типичная нейтронная звезда массой в полторы массы Солнца имеет диаметр всего около 20 километров, а чайная ложка ее вещества весила бы на Земле около миллиарда тонн.

Больше информации: Andreas Geißel et al, Color Superconductivity under Neutron-Star Conditions at Next-to-Leading Order, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/54g5-43nk

Источник: Technische Universitat Darmstadt