Kvarkové hvězdy v jádřích neutronových

Kvarkové hvězdy: od kvark-gluonového plazmatu ke kompaktním pozůstatkům supernov

Neutronové hvězdy mohou ve svém jádru obsahovat kvark-gluonové plazma – stav hmoty, kde se protony a neutrony rozpadají na kvarky a gluony. Průměr těchto objektů je asi 20 km, hmotnost 1,4 Slunce a hustota umožňuje kvarkům existovat volně pod tlakem silné interakce. Hypotéza předpokládá přechod od neutronové kůry ke kvarkovému jádru, kde je hmota stabilnější než běžné hadrony.

Kvarky jsou fermiony uvnitř protonů a neutronů, držené pohromadě gluony. V kvantové chromodynamice tvoří kvark-gluonové plazma ideální kapalinu s nulovou viskozitou, jako v experimentech CERN a Brookhaven. Ve hvězdách jde o chladnou ultrahustou formu, která převažuje nad gravitací.

Fyzika kvarků a silná interakce

Atomy se skládají z jader (protony, neutrony) a elektronů. Každý nukleon obsahuje tři kvarky: horní (u), dolní (d), někdy podivné (s). Fermiony se řídí Pauliho vylučovacím principem, který vylučuje shodu stavů, na rozdíl od bosonů-gluonů.

Podivné kvarky mají dlouhou dobu života a rozpadají se na u a d. Kvark-gluonová polévka je základem raného vesmíru po Velkém třesku, který přešel v hadrony. V neutronových hvězdách dekonfinement přeměňuje neutrony na volné kvarky přímo pod kůrou.

Struktura neutronových hvězd

Neutronové hvězdy jsou pozůstatky supernov, pulsary s periodickými rádiovými impulsy. Hustota způsobuje dezintegraci neutronů: silná interakce převažuje a vytváří chladnou ultrahustou hmotu neznámého složení.

Měření hmotnosti a poloměru je obtížné kvůli vzdálenostem (nejbližší – 400 světelných let). Srážky generují gravitační vlny, které odhalují viskozitu hmoty. Objemová viskozita se odhaduje pomocí teorie poruch: charakterizuje ztrátu energie při oscilacích hustoty kvarkové směsi.

• Hmotnost a poloměr: Statistika ze slučování ukazuje rozptyl, naznačující kvarkové jádro.
• Viskozita: Nízká, jako u plazmatu z urychlovačů.
• Načasování pulsarů: Metoda pro přesné parametry.
• Gravitační vlny: Data LIGO/Virgo o míchání hmoty.

Vrstva kůry – milimetrové nerovnosti, jádro – možná kvarková polévka.

Hypotéza kvarkových hvězd

Kvarkové hvězdy jsou zcela tvořeny volnými kvarky (u, d, s), nazývané podivné. Dekonfinement nastává při kritické hmotnosti, kdy tlak degenerovaného neutronového plynu nestačí.

Podivná hmota je stabilní při nulovém tlaku, skutečný základní stav. Strangelety – kvarkové kapky, schopné přeměňovat neutronové hvězdy.

Vlastnosti:

• Hustší než neutronová.
• Pokrytá tenkou neutronovou kůrou.
• Nízké povrchové napětí umožňuje vytvářet makroskopická tělesa.
• Potenciál supravodivosti podle BCS teorie.
• Energie jako u termonukleární fúze.

Modelování v JINR, CERN, Tokijském institutu: Boseho-Einsteinův kondenzát do supratekuté pevné fáze.

Kandidáti mezi kompaktními objekty

Rychle rotující pulsary a málo hmotné pozůstatky – priorita. XTE J1739-285: 1122 Hz, poloměr 9–12 km, hmotnost 1,2 M☉, 13 000 světelných let, Hadonoš. Možná čistá kvarková struktura pod plynovou obálkou.

HESS J1731-347 (2022, Tübingen): pozůstatek supernovy, 10 000 světelných let, hmotnost 0,77 M☉, poloměr 10,4 km. Rentgenové spektrum je anomální pro neutronovou hvězdu.

Co je důležité

• Kvark-gluonové plazma v jádrech neutronových hvězd – chladná verze laboratorních experimentů.
• Srážky a gravitační vlny poskytují data o viskozitě a stavové rovnici.
• Kandidáti: XTE J1739-285 a HESS J1731-347 s extrémními parametry.
• Podivná hmota – stabilní stav, schopný dominovat v kompaktních objektech.
• Budoucí pozorování SKAO objasní složení nitra.

— Editorial Team