Az atomok protonokból, elektronokból és neutronokból állnak. Az elektron egyfajta elemi részecske, de a proton és a neutron összetett részecskék: úgynevezett „fel” és „le” kvarkokból állnak. A protonban két fel és egy le kvark, a neutronban pedig két le és egy fel kvark található. Az erős kölcsönhatás különös természete miatt ezek a kvarkok mindig egymáshoz kötődnek, így sosem lehetnek az elektronokhoz hasonlóan igazán szabad részecskék, legalábbis az űr vákuumában. A Nature Communications című lapban nemrég megjelent tanulmány szerint a neutroncsillagok szívében végre szabadok lehetnek.

A neutroncsillagok hatalmas csillagok maradványai. Létük egy utolsó erőfeszítés arra, hogy a csillagmag ne omoljon össze fekete lyukká. Miután a sűrű mag teljes nukleáris fűtőanyaga kifogy, már csak a neutronok kvantumnyomása képes ellenállni a gravitációnak. Itt kezdenek bonyolódni a dolgok.

Illusztráció egy neutroncsillag kvarkmagjáról. (Jyrki Hokkanen, CSC – IT Center for Science)

A neutroncsillag egyszerűsített modellje szerint az égitest magját neutronok alkotják, amelyek éppen az összeomlás határán állnak. Hatalmas energiával egymásnak csapódhatnak, de továbbra is neutronok maradnak. A bennük lévő kvarkok túl erősen kötődnek ahhoz, hogy a neutronok szétszakadjanak. Egyes kutatók azzal érvelnek, hogy ezen a gravitációs határvidéken a neutronok fellazulhatnak, és a kvarkjaik egyfajta kvarklevessé folyhatnak össze. Ez azt jelentené, hogy a neutroncsillagok sűrű kvarkmaggal rendelkeznek.

Sajnos neutroncsillagok magját közvetlenül nem vizsgálhatjuk, de még hasonlóan sűrű anyagot sem hozhatunk létre a Földön, arról azonban van némi fogalmunk, hogy miként viselkedik ez a sűrű nukleáris anyag, ha megnézzük az állapotegyenletét. Az állapotegyenlet vizsgálata egy módszer arra, hogy kiszámítsuk egy anyag fő tulajdonságait. A neutroncsillagok esetében ez az állapotegyenlet a Tolman–Oppenheimer–Volkov egyenlet. Az egyetlen probléma vele az, hogy rendkívül összetett, és ha ennek segítségével akarjuk kiszámítani, hogy kvarkmagja van-e a neutroncsillagoknak, akkor azt a választ kapjuk, hogy: talán.

Az elemzés azt mutatja, hogy a nagy tömegű neutroncsillagok valószínűleg kvarkmaggal rendelkeznek. (Annala et al. 2023)

A kutatók ezúttal más megközelítést alkalmaztak. Ahelyett, hogy az állapotegyenlet számításait elvégezték volna, Bayes-statisztikát alkalmaztak a neutroncsillagok tömegére és méretére vonatkozó megfigyelési adatokra. Ez a statisztikai módszer mintákat keres a megfigyelési adatokban, és finom, de hatékony módon extrapolálja a valószínű lehetőségeket. Ebben az esetben, vagyis ha a neutroncsillagoknak kvarkmagjuk van, akkor valamivel sűrűbbek, mint a kvarkmaggal nem rendelkező neutroncsillagok. Mivel a kis neutroncsillagok valószínűleg nem rendelkeznek kvarkmaggal, de a legnagyobb tömegűek igen, a tömeg–sűrűség relációban lévő eltolódásnak látszania kell a Bayes-elemzésben.

A kutatók azt találták, hogy a nagy tömegű neutroncsillagok, amelyek tömege nagyobb két naptömegnél, 80–90% valószínűséggel rendelkeznek kvarkmaggal. Úgy tűnik, nem az a valódi kérdés, hogy léteznek-e kvarkcsillagok, hanem az, hogy hol van az átmenet a kvarkcsillagok és a hagyományos neutroncsillagok között.

Igazság szerint ez az elemzés meglehetősen kis adatmintára támaszkodik. A legtöbb neutroncsillagnak jelenleg nem ismerjük egyszerre a tömegét és a sugarát, de ez idővel változni fog. Ha több adatunk lesz, meghatározhatjuk a kvarkanyag és a sűrű neutronanyag közötti fázisátmenet pontos feltételeit. Egyelőre azonban csak annyit állíthatunk biztosan, hogy egyes neutroncsillagok mások, mint korábban gondoltuk.

Forrás: Universe Today