Горсть песка в кулаке: песчинки упираются друг в друга, и дальше рука не сжимается. Обычное вещество ведёт себя похоже. Но в нейтронной звезде сжатие в миллиарды раз сильнее — атомы раздавлены, электроны вжаты в протоны, и почти всё пространство заполнено нейтронами. Однако это не просто плотная упаковка шариков. На определённой глубине нейтроны начинают «чувствовать» свои составные части — кварки.
Новая работа предлагает взгляд на этот процесс. Авторы расширили популярную модель «кварковой материи» (quarkyonic matter), включив в неё не только лёгкие u- и d-кварки, но и странные s-кварки, а также весь набор частиц из восьми барионов — от протона до кси-гиперона. Главная идея в том, что при колоссальной плотности нуклоны (протоны и нейтроны) не могут занимать низкие энергетические состояния — те уже заняты кварками. Им приходится забираться выше по энергетической лестнице. Как пассажиры в переполненном автобусе, которые вынуждены стоять, хотя сиденья ещё есть, но они отгорожены. Это смещение вверх увеличивает химический потенциал нуклонов, и нейтронная звезда может нарастить больше массы, прежде чем в ней появятся гипероны — частицы со странным кварком.
В расчётах использовали эффективное взаимодействие между барионами, зависящее от плотности, импульса и изоспина (разницы между протонами и нейтронами). Оно построено на основе современного потенциала Скирма высокого порядка. Кварки и лептоны (электроны и мюоны) считались свободными. Результат порадовал: кварковый механизм заметно отодвигает порог рождения гиперонов, а уравнение состояния — закон, связывающий давление и плотность, — становится жёстче. На практике это означает, что звезда может быть тяжелее и не схлопываться в чёрную дыру.
Это важно для «гиперонной загадки»: многие модели предсказывали, что нейтронные звёзды с гиперонами слишком мягкие и не дотягивают до наблюдаемых масс в две солнечных. Теперь есть шанс, что кварковое переупорядочивание внутри звезды даёт ей дополнительную жёсткость — как каркас, вставленный в бетон.
как её написали авторы, на английском arXiv:2607.19220
We propose an extension of the quarkyonic matter framework that includes $$u$$, $$d$$, and $$s$$ quarks and the full baryon octet. Within this extended framework, we impose beta-equilibrium between baryons and leptons, while determining the quark fractions from the constituent quark contents of baryons. The hadronic sector of octet baryons is described by a recently developed density, momentum and isospin dependent effective interaction based on the N3LO Skyrme pseudopotential, whereas quarks and leptons are treated as free particles. We find that the quarkyonic mechanism can obviously reduce the critical density for hyperon appearance in neutron stars due to the fact that the nucleons are displaced to higher momentum states in quarkyonic matter and their chemical potentials rise accordingly. Furthermore, the quarkyonic mechanism can significantly stiffen the equation of state of hyperon star matter and thereby enhance the hyperon star maximum mass, thus helping to mitigate the hyperon puzzle.
Нейтронная звезда размером с город может весить вдвое больше Солнца, и чайная ложка её вещества на Земле перевесила бы Эверест.
В романе «Яйцо дракона» Роберта Форварда описана жизнь на поверхности нейтронной звезды, где ядерные реакции заменяют химию.