Компьютерное моделирование помогло исследовать экстремальные состояния материи нейтронных звёзд, недоступные для лабораторных экспериментов

Исследователи установили новый верхний предел скорости звука в таких объектах, что позволило глубже понять взаимодействие давления, температуры и прочих свойств материи в экстремальных условиях. Впервые для анализа внутреннего строения нейтронных звёзд они применили решёточную квантовую хромодинамику.

Изучение данных объектов экстремальной природы позволяет физикам проверять существующие теории в новых условиях и выявлять необходимость разработки новых научных концепций. Тем не менее, исследование нейтронных звёзд сопровождается рядом трудностей. Размеры звёзд крайне малы, что исключает возможность визуального наблюдения с помощью телескопической техники. Ближайшее из таких светил находится на расстоянии 400 световых лет от Земли.

Земные условия не позволяют воспроизвести материалы, сопоставимые по плотности с веществом нейтронных звёзд, которое превышает плотность воды в квадриллион раз. Кроме того, теоретические исследования таких звёзд осложняются, поскольку уравнения, описывающие их структуру, не поддаются решению традиционными математическими или вычислительными методами.

Квантовая хромодинамика (КХД), теория сильного взаимодействия, играет ключевую роль в изучении свойств нейтронных звёзд, описывая взаимодействия таких элементарных частиц, как протоны, нейтроны, кварки и глюоны. Однако, глюоны, будучи переносчиками силы и обладая собственным «цветовым» зарядом, делают расчёты взаимодействий крайне сложными.

Члены исследовательской группы, под руководством Райана Эбботта из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института (MIT), обратились к решёточной КХД для преодоления этих трудностей. Этот метод разбивает пространство-время, в котором происходят взаимодействия частиц, на дискретную сетку, и динамика взаимодействий моделируется компьютером исключительно в точках этой сетки.

Использование решёточной квантовой хромодинамики для изучения структуры нейтронных звёзд представляет собой новаторский метод, расширяющий границы нынешней науки. Этот подход позволяет превзойти которые ограничения традиционных моделей и провести детальные компьютерные симуляции поведения вещества в экстремальных условиях, свойственных нейтронным звёздам.

Учёным удалось смоделировать взаимодействия кварков и глюонов в условиях, невозможных на Земле, и получить более точные данные о свойствах вещества внутри этих звёзд, таких как давление, плотность и скорость распространения звука.

Таким образом, исследователи использовали изоспин — квантовое число, имеющее разные значения для протонов и нейтронов, чтобы проникнуть в области высокой плотности нейтронной звезды и получить точные данные. Команда упростила полное математическое описание нейтронной звезды, что позволило провести масштабное моделирование с использованием решёточной КХД, занявшее «несколько тысяч часов» вычислений на супермощных компьютерах. Такой подход сочетает элементы теории частиц и компьютерного моделирования, что позволяет установить точные границы внутренней структуры нейтронных звёзд.

В результате работы учёные впервые сформулировали уравнение состояния изоспиновой материи для произвольного изоспинового химического потенциала при нулевой температуре. В частности, исследователи установили, что скорость звука в нейтронной звезде может быть выше, чем ранее предполагалось. Кроме того, результаты показали, что звёзды могут обладать большей массой, чем считалось.

Эти выводы открывают новые горизонты для дальнейших вычислительных исследований материи нейтронных звёзд. В перспективах — более точные вычисления характеристик, таких как проводимость и вязкость, которые помогут дополнительно интерпретировать астрономические наблюдения и потенциально предсказывать их.

Источник: iXBT