Когда взрывается огромная звезда, она превращается в Сверхновую, если при этом не уничтожается полностью. Как вариант, она может - не всегда! - трансформироваться в черную дыру или нейтронную звезду. Эти астрономические объекты интересны прежде всего из-за своего сокрушительного внутреннего давления, возникающего в результате невероятной плотности вещества и непонятных свойств ядерной материи, из которой они состоят.

Теперь международная группа исследователей впервые объединила данные экспериментов с тяжелыми ионами, измерения гравитационных волн и другие астрономические наблюдения с использованием передового теоретического моделирования для более точного определения свойств ядерной материи. Исследование касается во внутреннего пространства нейтронных звезд. Результаты опубликованы 8 июня 2022 года в журнале Nature.

Бесспорный факт в том, что нейтронные звезды рождаются во время взрывов сверхновых, которые знаменуют конец жизни массивных звезд. Иногда нейтронные звезды объединяются в бинарные системы и в конечном итоге сталкиваются друг с другом. Такие высокоэнергетические астрофизические явления характеризуются настолько экстремальными условиями, что в результате образуется большинство тяжелых элементов, таких, как серебро и золото. Следовательно, нейтронные звезды и их столкновения являются уникальными лабораториями для изучения свойств материи при плотностях, намного превышающих плотности атомных ядер.

Эксперименты по столкновениям тяжелых ионов, проводимые ускорителями частиц, - дополнительный способ получения материи в экстремальных условиях. "Объединение знаний из ядерной теории, ядерного эксперимента и астрофизических наблюдений необходимо для того, чтобы пролить свет на свойства богатой нейтронами материи во всем исследуемом диапазоне плотности", - говорит Сабрина Хут, Институт ядерной физики Технического университета Дармштадта.

Питер Т. Х. Панг, другой ведущий автор из Института гравитационной и субатомной физики (GRASP) Утрехтского университета, уточняет: "Мы обнаружили, что ограничения, полученные в результате столкновений ионов золота на ускорителях частиц, демонстрируют удивительную согласованность с астрофизическими наблюдениями, несмотря на то, что они получены совершенно разными методами".

Недавний прогресс в астрономии позволил международной исследовательской группе с участием ученых из Германии, Нидерландов, США и Швеции получить новое представление о фундаментальных взаимодействиях в ядерной материи. В рамках междисциплинарных усилий исследователи включили информацию, полученную при столкновениях тяжелых ионов, в систему, объединяющую астрономические наблюдения электромагнитных сигналов, измерения гравитационных волн и высокопроизводительные астрофизические вычисления с теоретическими расчетами ядерной физики. Их систематическое исследование впервые объединяет отдельные дисциплины, указывая на более высокое давление при промежуточных плотностях в нейтронных звездах.

Авторы включили информацию из экспериментов по столкновениям золото-ионов, проведенных в GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung в Дармштадте, а также в Брукхейвенской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Лоренса Беркли, в многоступенчатую процедуру, которая анализирует ограничения из ядерной теории и астрофизических наблюдений, включая измерения массы нейтронной звезды с помощью радио наблюдений, информацию из миссии Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) на Международной космической станции и локальные наблюдения за слияниями бинарных нейтронных звезд.

Ядерные теоретики Сабрина Хут, Ахим Швенк из Технического университета Дармштадта и Инго Тьюс из Лос-Аламосской национальной лаборатории сыграли ключевую роль в переводе информации, полученной в столкновениях тяжелых ионов, на материю нейтронных звезд, что необходимо для учета ограничений астрофизики. В итоге ученые получили дополнительные ограничения в области плотности, где ядерная теория и астрофизические наблюдения менее чувствительны. Что помогло обеспечить более полное понимание плотной материи.

В будущем улучшенные ограничения от столкновений тяжелых ионов сыграют важную роль в объединении ядерной теории и астрофизических наблюдений за счет дополнительной информации.