Нейтронные звезды – одни из самых плотных объектов во Вселенной, представляющие собой остатки коллапсировавших массивных звезд после супермновых. Их радиус составляет примерно 10 км, что сопоставимо с высотой горы Эверест, а плотность может быть в несколько раз выше плотности атомных ядер – около квадриллиона раз выше плотности воды. Из-за малых размеров эти объекты видны лишь как точечные источники, а ближайшая известная нейтронная звезда находится на расстоянии 400 световых лет.
Лабораторное моделирование экстремальных условий нейтронных звезд невозможно из-за невозможности создания на Земле аналогичных объёмов ядерной материи. Теоретическое описание сталкивается с трудностями: стандартные методы решения сверхсложных уравнений, вытекающих из нелинейной квантовой хромодинамики (QCD), оказываются неэффективными, в отличие от электромагнетизма, где малое значение постоянной связи (alpha ≈ 1/137) позволяет быстро игнорировать высшие порядковые поправки.
Новаторский подход основывается на применении квантовой хромодинамики на решётке (lattice QCD), где пространственно-временной континуум дискретизируется в виде сетки, а взаимодействия частиц рассчитываются только в узлах этой сетки. Этот метод позволяет обойти неудачу стандартной теории возмущений в сильносвязном режиме QCD и впервые даёт возможность изучить внутреннюю структуру ядерной материи нейтронных звезд.
Особое внимание уделено методу использования изоспина, когда протонам и нейтронам присваиваются квантовые числа изоспина (+½ для протонов и –½ для нейтронов), что позволяет трактовать их как два состояния одной и той же частицы. Известно, что ядерная материя при любой плотности обладает давлением, меньшим по сравнению с ядерной материей при ненулевой плотности изоспина, что даёт возможность «прорваться» в изучении высокоплотного режима, характерного для нейтронных звезд.
Обширные расчёты проводились с использованием распределённых моделей lattice QCD на нескольких суперкомпьютерах. Для одних из запусков понадобилось «несколько тысяч GPU часов», в то время как полный расчёт требовал бы «нескольких миллионов GPU часов». Такой прорыв позволил впервые достичь континуумного предела (исчезновения шага решётки) для ядерной материи с заданной плотностью изоспина.
Полученная новая формула уравнения состояния описывает взаимосвязь давления, температуры и плотности ядерной материи при нулевой температуре. Значимый результат – обнаружение того, что максимальная скорость звука в сердцевине нейтронных звезд может достигать примерно ¾ скорости света, что превышает предыдущий теоретический предел c/√3. Это свидетельствует о возможности формирования более массивных нейтронных звезд, чем предполагалось ранее.
Квантовая хромодинамика остаётся ключевой теорией, описывающей взаимодействия протонов, нейтронов, кварков и глюонов. Нелинейность QCD и свойство асимптотической свободы – ослабление силы на малых расстояниях и усиление на больших – создают фундаментальные вызовы при моделировании сильных взаимодействий и требуют новых вычислительных подходов в условиях, где классическая теория возмущений уже не работает.
Руководителем исследования является Райан Эббот из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института (MIT). Полученные результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, закладывают основу для дальнейших вычислительных исследований свойств нейтронной материи, включая расчёты проводимости и вязкости, что может способствовать интерпретации астрономических наблюдений нейтронных звезд.
Изображение носит иллюстративный характер
Лабораторное моделирование экстремальных условий нейтронных звезд невозможно из-за невозможности создания на Земле аналогичных объёмов ядерной материи. Теоретическое описание сталкивается с трудностями: стандартные методы решения сверхсложных уравнений, вытекающих из нелинейной квантовой хромодинамики (QCD), оказываются неэффективными, в отличие от электромагнетизма, где малое значение постоянной связи (alpha ≈ 1/137) позволяет быстро игнорировать высшие порядковые поправки.
Новаторский подход основывается на применении квантовой хромодинамики на решётке (lattice QCD), где пространственно-временной континуум дискретизируется в виде сетки, а взаимодействия частиц рассчитываются только в узлах этой сетки. Этот метод позволяет обойти неудачу стандартной теории возмущений в сильносвязном режиме QCD и впервые даёт возможность изучить внутреннюю структуру ядерной материи нейтронных звезд.
Особое внимание уделено методу использования изоспина, когда протонам и нейтронам присваиваются квантовые числа изоспина (+½ для протонов и –½ для нейтронов), что позволяет трактовать их как два состояния одной и той же частицы. Известно, что ядерная материя при любой плотности обладает давлением, меньшим по сравнению с ядерной материей при ненулевой плотности изоспина, что даёт возможность «прорваться» в изучении высокоплотного режима, характерного для нейтронных звезд.
Обширные расчёты проводились с использованием распределённых моделей lattice QCD на нескольких суперкомпьютерах. Для одних из запусков понадобилось «несколько тысяч GPU часов», в то время как полный расчёт требовал бы «нескольких миллионов GPU часов». Такой прорыв позволил впервые достичь континуумного предела (исчезновения шага решётки) для ядерной материи с заданной плотностью изоспина.
Полученная новая формула уравнения состояния описывает взаимосвязь давления, температуры и плотности ядерной материи при нулевой температуре. Значимый результат – обнаружение того, что максимальная скорость звука в сердцевине нейтронных звезд может достигать примерно ¾ скорости света, что превышает предыдущий теоретический предел c/√3. Это свидетельствует о возможности формирования более массивных нейтронных звезд, чем предполагалось ранее.
Квантовая хромодинамика остаётся ключевой теорией, описывающей взаимодействия протонов, нейтронов, кварков и глюонов. Нелинейность QCD и свойство асимптотической свободы – ослабление силы на малых расстояниях и усиление на больших – создают фундаментальные вызовы при моделировании сильных взаимодействий и требуют новых вычислительных подходов в условиях, где классическая теория возмущений уже не работает.
Руководителем исследования является Райан Эббот из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института (MIT). Полученные результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, закладывают основу для дальнейших вычислительных исследований свойств нейтронной материи, включая расчёты проводимости и вязкости, что может способствовать интерпретации астрономических наблюдений нейтронных звезд.
