Gwiazda neutronowa powstaje, gdy fuzja jądrowa (łączenie się lżejszych pierwiastków w cięższe) wewnątrz gwiazdy o masie 10-20 mas Słońca przestaje być efektywna. Gwiazda taka traci wewnętrzne źródło energii, które „rozpychało” ją do zewnątrz, przeciwdziałając jej własnej grawitacji i zapewniając równowagę hydrostatyczną. Gwiazda zaczyna się zapadać w sobie i wybucha (supernowa), a jej jądro, w ułamku sekundy, zostaje zredukowane do objętości kuli o średnicy kilkunastu kilometrów. Kula ta (gwiazda neutronowa) ma niesamowicie dużą gęstość, gdyby „nabrać” ją na łyżeczkę do herbaty i przywieźć na Ziemię, ważyłaby ona około miliarda ton.

Materia wewnątrz gwiazd neutronowych

Ogromna gęstość gwiazd neutronowych musi oznaczać, że składają się z jakiegoś egzotycznego budulca, ale czym on jest? Podczas kolapsu gwiazdy materia, z której zbudowane było jej jądro, zostaje ściśnięta w niewyobrażalnym stopniu. W ten sposób powstaje materia jądrowa, w której nukleony są tak blisko siebie, że kula z niej zbudowana przypomina wielkie jądro atomowe. Powstała teoria, zakładająca, że materia w jądrach gwiazd neutronowych może zapadać się do nowego, jeszcze bardziej egzotycznego stanu, w którym nie istnieją atomy, ponieważ rozpadły się one na gluony i kwarki – stan ten nazwano materią kwarkową.

Kwarki są cząstkami elementarnymi budującymi cięższe cząstki, kwarki w naturze nie mogą występować w formie swobodnej – muszą być związane z innymi kwarkami. Cięższe cząstki elementarne (nazywane hadronami) składają się z trzech kwarków połączonych oddziaływaniami przekazywanymi przez gluony.

Kwarki wewnątrz gwiazd neutronowych miałyby przyjmować nowe właściwości. W normalnych warunkach niemożliwym jest, aby trzy kwarki o tych samych właściwościach tworzyły wiązania (reguła Pauliego), muszą się więc jakościowo różnić. Różnicę tą nazwano ładunkiem kolorowym, bądź po prostu „kolorem” – nie ma on rzecz jasna nic wspólnego z barwami takimi, jakie znamy. Kolor (niczym ładunek elektryczny) powoduje oddziaływania pomiędzy kwarkami, które trzymają je w ryzach. Według badań zespołu, wewnątrz materii kwarkowej, kwarki mają tracić kolor i poruszać się niemal swobodnie, co jest niemożliwe w normalnych warunkach.

Badania

Początkowo istnienie jąder gwiazd neutronowych złożonych z materii kwarkowej było jedynie hipotezą. W roku 2020 zespół naukowców składający się z 5 badaczy z Uniwersytetów: Columbia, Helsińskiego, w Stavanger i Technicznego w Darmstadt, na łamach „Nature Physics”, opublikował odkrycie dowodu na istnienie materii kwarkowej wewnątrz gwiazd neutronowych. Zespół dokonał tego przy pomocy teoretycznych obliczeń, posługując się dotychczasowymi odkryciami z dziedzin: chromodynamiki kwantowej, astrofizyki i fizyki jądrowej.

Tego typu obliczenia teoretyczne pozostawiają duży margines błędu. Z pomocą przychodzą dwa odkrycia obserwacyjne: zaobserwowanie bardzo masywnych gwiazd neutronowych (liczących około dwie masy Słońca) i zmierzenie promieni gwiazd neutronowych na podstawie fal grawitacyjnych powstałych podczas fuzji dwóch gwiazd neutronowych. Oba te odkrycia dają większe pojęcie na temat właściwości termojądrowych wewnątrz tych gwiazd, co znacząco zmniejszyło liczbę niepewności z tym związanych.

Odkrycie niemalże pewne

Zespół odkrył nowy typ materii „prawie na pewno” – co to znaczy? W badaniu zespół wykazał, że materii wewnątrz gwiazd neutronowych jest znacznie bliżej do materii kwarkowej, niż do materii jądrowej, niemniej pozostaje dalej szansa, że wewnątrz gwiazd neutronowych obecna jest materia jądrowa o dziwnych właściwościach.

„Wciąż jest, mała, lecz niezerowa szansa, że wszystkie gwiazdy neutronowe zbudowane są tylko z materii jądrowej. Byliśmy jednak w stanie określić jakie warunki musiałby spełnić taki scenariusz. W skrócie, zachowanie gęstej materii jądrowej musiałoby być naprawdę dziwne. Na przykład, prędkość dźwięku, wewnątrz takiego ośrodka, musiałaby być bliska prędkości światła.”

~ Wyjaśnia Aleksi Vuorinen – jeden z głównych badaczy.

Nowe poszlaki

Aby lepiej zbadać zagadnienie i potwierdzić wcześniejsze obliczenia, zespół w roku 2023 przeprowadził symulację, używając wnioskowania bayesowskiego. Jest to metoda, w której wykorzystuje się twierdzenia Thomasa Bayesa do aktualizowania prawdopodobieństwa subiektywnego na podstawie dotychczasowego prawdopodobieństwa i nowych danych. Zespół wsparł dotychczasowe obliczenia o prawdopodobieństwo występowania materii kwarkowej. Na podstawie astrofizycznych obserwacji, istnienie materii kwarkowej wewnątrz gwiazd neutronowych jest niemal nieuchronne, uzyskane szacunki mówią o prawdopodobieństwie rzędu 80-90%.

Pozostałe niewielkie prawdopodobieństwo, że gwiazdy neutronowe złożone są tylko z materii jądrowej, wymaga, aby zmiana ze stanu jądrowego do kwarkowego była silną przemianą fazową pierwszego stopnia. Przypominałoby to nieco przemianę wody w lód. Tak gwałtowna zmiana we właściwościach gwiazdy neutronowej mogłaby ją zdestabilizować i doprowadzić do kolapsu w czarną dziurę.

Zespół pokazał, że istnienie jąder gwiazd neutronowych złożonych z materii kwarkowej zostanie któregoś dnia potwierdzone, lub całkowicie zaprzeczone. Kluczem w tym wypadku jest określenie siły przemiany fazowej między stanem jądrowym a kwarkowym, może to zostać kiedyś osiągnięte przez analizę fali grawitacyjnej powstałej przez fuzję dwóch gwiazd neutronowych. Tak czy inaczej, stoimy u bram rozkwitu astrofizyki fal grawitacyjnych, która może w przyszłości powiedzieć nam znacznie więcej o wszechświecie oraz poszerzyć nasze zrozumienie otaczającej nas rzeczywistości.

Korekta — Rafał Górski