大质量中子星中夸克物质核心的进一步证据

新的理论分析认为，大质量中子星隐藏解束缚夸克物质核心的可能性在80%至90%之间。这一结果是通过利用贝叶斯统计推断的大规模超级计算机运行得出的。

中子星核心含有当今宇宙中密度最高的物质，多达两个太阳质量的物质被压缩在一个直径为25公里的球体中。

这些天体物理物体确实可以被认为是巨大的原子核，重力将它们的内核压缩到比单个质子和中子的密度高出许多倍。

从粒子和核物理的角度来看，这些密度使中子星成为有趣的天体物理对象。

一个长期悬而未决的问题是中子星巨大的中心压力能否将质子和中子压缩成一种新的物质相，即冷夸克物质。

在这种奇异的物质状态下，单个质子和中子不再存在。

赫尔辛基大学理论粒子物理学教授Aleksi Vuorinen解释说:“它们的组成部分夸克和胶子反而从典型的颜色限制中解放出来，并被允许几乎自由地移动。”

强烈的相变仍可能毁了这一天

在刚刚发表在《自然通讯》上的一篇新文章中，赫尔辛基大学的一个研究小组首次对大质量中子星内部存在夸克物质核心的可能性进行了定量估计。

他们表明，根据目前的天体物理观测，夸克物质在最大质量的中子星中几乎是不可避免的:研究小组提取的定量估计将这种可能性置于80-90%的范围内。

所有中子星只由核物质组成的剩余小可能性要求从核物质到夸克物质的变化是一个强一级相变，有点类似于液态水变成冰的相变。

中子星物质属性的这种快速变化有可能破坏恒星的稳定，即使形成一个微小的夸克物质核心也会导致恒星坍缩成黑洞。

来自芬兰、挪威、德国和美国的科学家之间的国际合作能够进一步表明夸克物质核心的存在有一天可能会被完全证实或排除。

关键是能够限制核物质和夸克物质之间的相变强度，一旦有一天记录到来自双星中子星合并最后一部分的引力波信号，这有望成为可能。

大型超级计算机使用观测数据运行

得出新结果的一个关键因素是利用贝叶斯推断进行的一组大规模超级计算机计算。贝叶斯推断是统计演绎的一个分支，通过与观察数据直接比较来推断不同模型参数的可能性。

该研究的贝叶斯部分使研究人员能够推导出中子星物质属性的新界限，证明它们接近最大质量稳定中子星核心附近的所谓共形行为。

论文的主要作者之一Joonas Nä ttilä博士将这项工作描述为一项跨学科的工作，需要天体物理学、粒子和核物理以及计算机科学的专业知识。

他即将于2024年5月开始在赫尔辛基大学担任副教授。

“具体地看到每一次新的中子星观测如何使我们能够越来越精确地推断中子星物质的属性，这是令人着迷的。”

另一方面，在纳蒂勒和沃里宁指导下工作的博士生乔纳斯·希尔沃宁强调了高性能计算的重要性:

“我们必须使用数百万CPU小时的超级计算机时间才能将我们的理论预测与观测结果进行比较，并限制夸克物质核心的可能性。我们非常感谢芬兰超级计算机中心CSC为我们提供了所需的所有资源!”

来源: Materials provided by University of Helsinki. Original written by Johanna Pellinen.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Eemeli Annala, Tyler Gorda, Joonas Hirvonen, Oleg Komoltsev, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä, Aleksi Vuorinen. Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars. Nature Communications, 2023; 14 (1) DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y