В поисках кварковых звёзд

Если вы специально не искали на Хабре статьи по тегу «Нейтронные звёзды», то можете и не догадываться, насколько излюбленной и вечнозелёной является здесь эта тема. Эти экзотические объекты (в компании с пульсарами, также представляющими собой нейтронные звёзды) могут сравниться по популярности разве что с чёрными дырами, но и сами статьи о них зачастую получаются крутыми и захватывающими. Так, я в своё время нашёл блог уважаемого Антона @Lirts ^[1], обнаружив настоящий шедевр — статью «Нейтронные звёзды — насколько они нейтронные? ^[2]». С тех пор он, правда, ничего не писал, но все его три статьи сделаны на очень высоком уровне как в фактическом, так и в стилистическом отношении.

Но, возвращаясь к задуманной теме — отмечу, что в последнее время появились удивительные модели и гипотезы, предполагающие, что в недрах нейтронных звёзд материя может существовать в форме чистых кварков, и первый объект, косвенно напоминающий кварково-нейтронную звезду, был найден чуть более чем через два месяца после выхода вышеупомянутой статьи @Lirts ^[1] Далее разберу эту тему подробнее.

Кратко о кварках

Все наблюдаемые объекты, от звёзд до графеновых плёнок, состоят из атомов. Атом состоит электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. В составе каждого протона и нейтрона находится по три кварка, которые удерживаются вместе благодаря сильному взаимодействию и участию частиц-глюонов (от английского «glue» = «клей»). Вот как можно схематически изобразить атом гелия (в нём два протона, два электрона и два нейтрона).

Таким образом, протоны и нейтроны не являются подлинно элементарными частицами, так как разложимы на более мелкие элементы (кварки и глюоны), а электроны — являются. Кварки, как и электроны, являются фермионами, а глюоны являются бозонами. Это две базовые категории элементарных частиц, и между этими категориями существует такое принципиальное отличие: одинаковые бозоны могут соседствовать друг с другом, а одинаковые фермионы — не могут. Таким образом, поскольку фотоны — это бозоны, свет может образовывать лазерный луч. Напротив, поскольку электроны — это фермионы, они образуют в атоме не хаотичное облако, а систематически заполняют энергетические уровни. Отличную статью ^[3] о двух этих типах частиц разместил на Хабре уважаемый @SLY_G ^[4].

Эта картина также сложнее, чем кажется — например, странные кварки названы таким образом за своё длительное время жизни и рано или поздно странный кварк распадается на верхний и нижний. В одной из статей на Хабре я разбирал, почему протон отказывается самопроизвольно распадаться ^[5], а также почему кварки неразделимы и неизвлекаемы из ядра.

Раздел физики, изучающий взаимодействие кварков и глюонов, называется «квантовой хромодинамикой ^[6]», её основы заложили Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Стабильное химическое соединение, не содержащее атомов, а состоящее только из кварков и глюонов, называется «кварк-глюонной плазмой» или «кварковым супом», впервые было получено ^[7] в 2000 году в ЦЕРН, а исследовано в 2005 году в Брукхейвенской Национальной Лаборатории; оказалось, что кварк-глюонная плазма ведёт себя как идеальная жидкость с практически нулевой вязкостью. Предполагается, что кварк-глюонная плазма была основным состоянием вещества в первые микросекунды ^[8] после Большого Взрыва, а затем из неё стали образовываться адроны (тяжёлые элементарные частицы).

После того, как было доказана возможность получить кварк-глюонную плазму, физики заинтересовались, где она могла сохраниться в природе. Вполне возможно, что подходящие условия для существования кварк-глюонной плазмы существуют в недрах нейтронных звёзд, а в некоторых из них — прямо под тонкой коркой, образованной нейтронами.

Строение нейтронных звёзд - современное представление

Звёзды бывают очень разными ^[9], и одними из самых необычных являются нейтронные звёзды. Диаметр нейтронной звезды составляет около 20 километров, что сопоставимо с размером крупного города ^[10]. Но даже при таком крошечном размере нейтронные звёзды весят в среднем в 1,4 раза больше Солнца. Это означает, что нейтронные звёзды обладают колоссальной плотностью, а значит — под грузом нейтронной материи внутри этих объектов нейтроны могут дезинтегрироваться в кварки. Та материя, которая известна нам как кварковый суп, внутри нейтронных звёзд могла бы существовать в гораздо более плотном и холодном состоянии, чем те капельки идеальной жидкости, которые нам удалось получить. 

Кроме сильнейшей гравитации, из-за которой любые неровности на поверхности нейтронных звёзд, вероятно, не бывают выше миллиметра ^[11], определяющую роль в формировании таких объектов играет сильное взаимодействие ^[12], которое в обычных условиях удерживает протоны и нейтроны в составе ядра. Более того, внутри нейтронной звезды оно должно доминировать над гравитацией. Вещество во внутреннем ядре нейтронной звезды сейчас именуется «холодной ультраплотной материей», и состав её доподлинно не известен. В настоящее время не известно, как именно прозондировать недра нейтронной звезды, но эту проблему затрагивает статья «Probing neutron star interiors and the properties of cold ultra-dense matter with the SKAO ^[13]», подготовленная в декабре 2025 года большим коллективом авторов, работающих в обсерватории SKA ^[14].

Ещё один фактор неопределённости таков: чтобы уверенно определить плотность нейтронной звезды, нужно точно узнать как массу, так и радиус такого объекта. Но, поскольку большинство нейтронных звёзд расположены в тысячах световых лет от нас, а ближайшая из известных — RX J1856.5-3754 ^[15], отдалена от нас примерно на 400 световых лет и является остатком сверхновой, расположенным в созвездии Южной Короны. На таком расстоянии даже погрешность в 1 километр при измерении радиуса практически неустранима.

При этом происхождение и генезис нейтронных звёзд изучены довольно хорошо. Большинство известных сегодня нейтронных звёзд являются вращающимися пульсарами, то есть, они периодически испускают радиоимпульсы. О приблизительных условиях в окрестностях пульсара я ранее писал на Хабре в статье «Электромагнитный ад ^[16]». Пульсары как таковые интересовали учёных ещё с 1960-х, когда их периодические радиовсплески заметил ^[17] Энтони Хьюиш и сразу попытался проверить, не является ли эта странная звезда источником инопланетных сигналов.

Пульсар — типичный остаток от взрыва сверхновой. Один из наиболее известных пульсаров PSR B0531+21 ^[18] расположен в центре Крабовидной туманности, оставшейся от взрыва сверхновой 1054 года ^[19]. Его диаметр — около 25 километров, он совершает 30 оборотов в секунду и излучает в радио-, гамма- и рентгеновском диапазоне.

Много позже (в 2010-е) выяснилось, что при столкновении нейтронных звёзд (как и при столкновении чёрных дыр) образуются гравитационные волны ^[20]. Благодаря этому не только был разработан метод тайминга пульсаров ^[21], но и удалось набрать статистику по значениям массы нейтронных звёзд.

Более того, при столкновении материал нейтронных звёзд смешивается, и в процессе такого обмена веществом можно определить его вязкость. Иными словами, разброс вещества от нейтронных звёзд позволяет судить о том, насколько оно липкое, текучее и сопоставимо ли по свойствам с кварк-глюонной плазмой.    

При этом исследователи стремятся определить объёмную вязкость вещества, рассеиваемого при столкновении двух нейтронных звёзд (подробнее об этом параметре см. здесь ^[22] в последней части раздела 2). Объёмная вязкость позволяет судить о том, как система теряет энергию в ходе радиальных осцилляций, то есть, как именно (регулярно) меняется плотность кварк-глюонной смеси. О таких исследованиях, в которых применяется теория пертурбаций, рассказано в статье ^[23], подготовленной под руководством Алекси Вуоринена.  

Кварковые звёзды

Описанные выше данные и модели позволяют предположить, что некоторые из остатков сверхновых могут большей частью или почти полностью состоять из кварковой материи (свободных кварков). Подобный распад на кварки называется «деконфайнмент ^[24]».  

Сегодня кварковая звезда считается гипотетическим объектом ^[25], и светила-кандидаты, которые могут относиться к этому классу, считаются (компактными) нейтронными звёздами. Нейтронная звезда удерживается в целостности благодаря давлению вырожденного нейтронного газа ^[26]. Как объяснено в статье, на которую указывает предыдущая ссылка, даже при очень высоком давлении два нейтрона не могут находиться в одном месте. Соответственно, если масса звезды настолько высока, что уже предполагает превращение этого светила в чёрную дыру, но звезда пока остаётся звездой — то или звезда состоит из более плотной материи, чем обычные нейтроны, либо, согласно другой гипотезе, нейтроны могут укладываться в звезде подобно кубам, а не подобно шарам ^[27].

Если допустить расщепление нейтронов на свободные кварки, то в кварковой звезде будет смесь из трёх сортов кварков: верхних, нижних и странных. Такая материя называется «странной» и может образовывать так называемые «страпельки» (странные капельки), о которых я уже очень давно также рассказывал на Хабре ^[28]. Странная материя также может возникать в процессе плавного превращения адронов в кварки. Сейчас предполагается, что она может обладать следующим набором свойств:

• Странная материя — это истинное основное состояние вещества при нулевом давлении

• Наиболее компактные звёзды могут состоять из странной материи с примесью страпелек, покрытых тонкой коркой из нейтронов

• Если страпелька попадает в нейтронную звезду, звезда превращается в странную

• Если странная материя обладает достаточно низким поверхностным натяжением, то из неё (как и из ядерной материи) могут образовываться не только звёзды, но и атомы, и физические тела.

Сейчас ставятся эксперименты, призванные помочь лучше понять уравнения состояния вещества в плотной среде ^[29], при этом задействуются как компьютерное моделирование, так и новейшие астрофизические наблюдения. Возможные механизмы превращения адронов в свободные кварки изучаются в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Москве, в ЦЕРН, а также в специально образованном в 2024 году Институте кварковых и ядерных исследований ^[30] в Токио. Предполагается, что в ультрахолодных средах конденсат Бозе-Эйнштейна ^[31] может превращаться в сверхтекучую твёрдую материю, свойства которой описывает теория Бардина-Купера-Шриффера ^[32]. В таком случае кварковая материя может оказаться идеальным сверхпроводником ^[33], а также беспрецедентно мощным источником энергии, если когда-нибудь на материале свободных кварков удастся запустить процесс, аналогичный термоядерному синтезу ^[34].

Кандидаты в кварковые звёзды

Поскольку мы достаточно полно представляем вероятный процесс формирования кварковых звёзд из нейтронных, следует присматриваться к наиболее быстро вращающимся пульсарам, а также к самым компактным объектам, напоминающим нейтронные звёзды. Первым из кандидатов, которые я хочу упоминать, является пульсар XTE J1739-285 ^[35], открытый в 1999 году. Он расположен в созвездии Змееносца примерно в 13 000 световых годах от Земли. Частота импульсов этого источника — 1122 Гц, радиус составляет от 9 до 12 километров, а масса — 1,2 солнечных. Возможно, под тонкой оболочкой ионизированного газа там скрывается практически чистая кварковая звезда.  

Ещё более поразительный объект на месте остатка сверхновой обнаружили ^[36] в 2022 году физики из Тюбингенского университета Виктор Дорошенко,  Валерий Сулейманов, Герд Пюльхофер и Андреа Сантанджело. Звезда HESS J1731-347, расположенная примерно в 10 000 световых лет от Солнца, в рентгеновском спектре напоминает нейтронную, но масса её составляет всего 0,77 от солнечной, а радиус — порядка 10,4 километра.

Остаётся изобрести, как смоделировать объект достаточно плотный, чтобы он в контролируемых лабораторных условиях превращался из адронной материи в кварковую — и проверить, насколько это вообще возможно. В одной из следующих публикаций на Хабре я планирую рассказать о попытках смоделировать нейтронную звезду в лаборатории. В заключение этой добавлю, что, как было указано выше, теоретически из странной материи могут состоять не только звёзды, но и другие тела, в частности, планеты. Известно, как минимум, 11 кандидатов в такие объекты ^[37]. Они находятся в окрестностях пульсаров и могли либо естественным путём сформироваться из околозвёздного диска, либо превратиться в странную материю из обычной, попав под бомбардировку страпелек.