Кварковая звезда

Масса звезды виляет на ее температуру, чем больше масса, тем:

• выше ее температура,
• больше ее светимость
• меньше время ее жизни.

Источником энергии звезд являются термоядерные реакции, в которых ядра легких атомов трансформируются в более тяжелые. Эти реакции идут так:

• водород переходит в гелий;
• гелий в углерод;
• углерод в кислород;
• кислород в кремний;
• кремний в железо.

При завершении эволюции массивной звезды в ее центре образуется ядро, состоящее из тяжелых элементов. В структуре этого ядра тяжелые элементы сосредоточены внутри, а внешняя оболочка ядра составлена из легких элементов.

При потере устойчивости ядро звезды может начать сжиматься с высокой скоростью (коллапсировать). Его центральная часть при этом становится объектом огромной плотности – нейтронной звездой или черной дырой.

В процессе сжатия происходит выделение огромной гравитационной энергии. Из-за данной энергии оболочка звезды и внешней части ядра отбрасывается во внешнее пространство с высокой скоростью. Данный выброс части звезды сопровождает быстрый рост светимости звезды. Короткий отрезок времени одна такая звезда светит так, как целая Галактика. Данный процесс называют взрывом сверхновой.

Нейтронные звезды

После взрыва сверхновой возможно возникновение нейтронной звезды. Вещество нейтронных звезд составлено из нейтронов. Нейтрон является неустойчивой частицей в свободном состоянии. Ее среднее время жизни около 15 минут. Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Если нейтрино находятся в холодном газе из протонов и электронов (вырожденный газ) с высокой плотностью, то нейтрон ведет себя как устойчивая частица, поскольку все места для частиц, на которые способен распадаться нейтрон, заняты.

Для создания условий устойчивости нейтронов необходимо высокое давление. Такое давление создается внутри нейтронной звезды за счет ее собственной гравитации. Вещество нейтронной звезды в основном содержит (исключение кора нейтронной звезды) нейтроны и небольшое количество протонов и электронов.

Ядра атомов составлены из нейтронов и протонов. В них действуют исключительно ядерные силы, удерживающие элементарные частицы около друг друга.

Нейтронные звезды в своем составе имеют те же элементарные частицы, но к ядерным силам добавлены силы гравитации.

Имеется несколько гипотез поведения вещества при столь больших плотностях. Вещество может оставаться нейтронным, в нем могут появляться частицы с большей массой (гипероны) или возникать конденсат $\pi$ - или $K$ - мезонов.

Еще одной современной гипотезой считают трансформацию материи из нейтронов в кварковую материю.

Кварковая материя

В соответствии с моделью перехода нейтронной материи в кварковую при огромных плотностях в центрах нейтронных звезд, элементарные частицы (протоны и нейтроны) располагаются очень близко друг к другу. Расстояния между элементарными частицами составляют их классические радиусы. Каждая из данных элементарных частиц образована тремя кварками. При плотностях, которые меньше рассматриваемых кварки находятся внутри элементарной частицы. В центре звезды, где плотность вещества огромная, у кварков появляется возможность переходить в соседние частицы, так кварки свободно движутся по всей области с большой плотностью. Объединения кварков тройками в нуклоны распадается.

При этом вещество можно считать кварковым газом или жидкостью.

Теоретические исследования показывают, что в нашем кварковом газе имеются:

• обычные $u$ кварки,
• обычные $d$ кварки,
• $s $ - странные кварки.

В таких элементарных частицах как протоны и нейтроны странных кварков нет. Эти кварки входят в состав гиперонов. Присутствие в составе кварковых звезд странных кварков обуславливает название данных звезд (их часто называют странными).

Состояние кваркового вещества выгодно с энергетической точки зрения.

Э. Виттен, который исследовал свойства темной материи и космических лучей, выдвинул гипотезу о том, что около нас летают комочки странного вещества, которое появилось в начале формирования Вселенной. Данные комочки составляют темную материю. Эти комочки способны захватываться звездами большой массы, и из них формируется кварковая звезда.

Большинство моделей показывает, что первоначально возникает нейтронная звезда, и только позднее материя у нее внутри трансформируется в «странное состояние», например, при охлаждении звезды или изменении скорости вращения.

На Земле спичечный коробок с нейтронным веществом имел бы массу несколько миллиардов тонн. При этом спичечный коробок должен выдерживать огромное давление нейтронного вещества. Тогда как странное кварковое вещество, такой же плотности как нейтронное, можно хранить вне емкости.

В настоящее время нет ясности в вопросе: в составе кварковой звезды имеется только кварковое вещество, или ядро звезды составлено из кварков и покрыто оно корой обычного вещества. Если кора присутствует, то кварковую звезду будет сложно отличить от нейтронной звезды или адронной.

Различие нейтронных и кварковых звезд

Процессы остывания кварковых и нейтронных звезд различны. Возникающий при взрыве сверхновой компактный остаток нагрет до большой температуры, составляющей миллиарды градусов. Температура его уменьшается при испускании нейтрино и электромагнитных волн. Потери энергии при испускании нейтрино важнее в течение нескольких тысяч лет или менее, это зависит от массы звезды.

В большинстве моделей кварковые звезды уменьшают свою температуру с большей скоростью, чем нейтронные. Процесс уменьшения температуры звезд зависит от:

• разрешенного типа превращений частиц в нейтронной звезде;
• перехода вещества в сверхтекучее состояние внутри звезды;
• химического состава атмосферы звезды;
• интенсивности магнитного поля звезды и т.п.

Рассматривая процесс остывания кварковых звезд, следует еще учитывать:

• момент фазового перехода нейтронного вещества в кварковое;
• количество выделяемой (поглощаемой) энергии при этом переходе.

Следующим значимым отличием свойств нейтронных и кварковых звезд стала противоположные связи между их радиусами и массами.

Уравнения состояния нейтронных и кварковых звезд отличаются. При уменьшении массы нейтронной звезды ее радиус увеличивается. Самым маленьким размером обладают нейтронные звезды с наибольшей массы. Радиус наименьшей нейтронной звезды не менее 10-12 км. У кварковых звезд имеется прямая зависимость размера от массы. Самым большим размером обладают самые тяжелые звезды.

Некоторые ученые полагают, что множество нейтронных звезд является кварковыми внутри.