Гіпернові, кваркові зорі та колапсари

Гіпернова — вибух масивної зорі (масою більше 20 мас Сонця) після колапсу її ядра. Колапс ядра відбувається після того, як у ньому виснажується паливо для підтримки термоядерних реакцій, іншими словами, це дуже велика наднова.

Енергія яка вивільняється при вибусі гіпернової в десять разів перевищує енергію, яка вивільняється при вибусі наднової. Гіпернові теоретично могли б створити серйозну загрозу Землі внаслідок потужного гамма-спалаху, але в наш час поблизу Сонячної системи немає зір, які могли б становити таку загрозу.

Термін гіпернова придумав Стенфорд Е. Вусліджерело. Ядро масивної зорі при гравітаційному колапсі перетворюється в чорну діру, якщо зоря швидко оберталася, то навколо чорної діри може утворитися масивний акреційний диск.

За рахунок нейтринного нагріву можуть утворитися два потужні релятивістські струмені(джети- промені що вириваються у квазарах,активних галактиках чи при вибусі гіпернових), що викидаються в напрямку полюсів обертання вмираючої зорі майже зі швидкістю світла.

Ці релятивістські струмені можуть пояснити гамма-спалахи, які іноді спостерігаються при вибухах гіпернових. В останні роки великий обсяг даних спостережень гамма-спалахів значно поліпшив наше розуміння цих подій, і стало зрозуміло, що в чисельних моделях колапсу виходять вибухи, які відрізняються від вибухів звичайних наднових.

Зорі, здатні вибухнути як гіпернова, зустрічаються дуже рідко, тому що зоря має бути масивною, швидко обертатися і (можливо) мати потужне магнітне поле. Тому, гіпернові повинні вибухати рідко. Передбачається, що в нашій Галактиці гіпернова вибухає в середньому один раз на 200 млн років.

Кваркові зорі

Кваркова зоря — гіпотетичний астрономічний об'єкт, що складається з так званої «кваркової матерії». Вважають, що такі зірки займають проміжне місце між нейтронними зорями та чорними дірами.

Кварк-глоюонна плазма (квагма, хромоплазма) — стан матерії, у якому кварки та глюони перебувають у вільному, не зв'язаному в нуклонах, стані.

Поки не зрозуміло, чи є перехід речовини у кварковий стан зворотним. Іншими словами, невідомо, чи перейде кваркова матерія в нейтронну при зменшенні тиску. Як показує моделювання, в «кварковому газі», з якого, імовірно, складається зірка, має бути велика кількість S-кварків , тому іноді кваркові зорі називають ще й «дивними».

S-кварк - одна з фундаментальних частинок у рамках теорії кварків та Стандартної моделі. Властивістю s-кварка є особливе квантове число (аромат) дивність. s-кварк не входить до складу стабільних частинок, таких як протон, але входить до складу каонів та гіперонів. Каони та гіперони мають , такі ж властивості, як S-кварки.

Зірки-кандидати до кваркових зір

Існування таких зір вважають недоведеним. Існують теоретичні передумови для переходу нейтронних зір у кваркові. Відбір пульсарів у кандидати здійснюють на підставі аналізу їх періоду обертання на предмет можливого перевищення межі швидкості обертання нейтронних зір.

Наприклад, гаданою кварковою зіркою вважають пульсар XTE J1739-285, який обертається дуже швидко. Маса таких об'єктів має бути близькою до верхньої межі мас нейтронних зір і, згідно з останніми дослідженнями, перебувати в межах 2-2,5 маси Сонця. Вважають, що можливо такі об'єкти складаються з кваркової матерії:

• RX J1856.5-3754. Цей об'єкт був спочатку відкритий як нейтронна зоря, що перебуває на відстані 150 світлових років, проте 2002 року Дж. Дрейк (JJ Drake) з колегами за допомогою уточнених даних, отриманих телескопом «Чандра», припустив, що тіло може бути кварковою зіркою, віддаленою на відстань близько 400 світлових років, з радіусом 3,8-8,2 км (проти 12 км у нейтронної зорі). Це припущення, проте, згодом не підтвердилося. Нові спостереження цієї зірки підтвердили отриману Дрейком та ін. оцінку відстані, проте покращений аналіз спектра привів до переоцінки радіуса, який виявився істотно більшим.
• Науковці з канадського університету Калгарі припускають, що залишок яскравої наднової SN 2006gy, виявленої 18 вересня 2006 р., можливо є кварковою зорею.
• Релятивістські об'єкти на місці наднових SN 2005gj і SN 2005ap
• 3C 58.

Кваркова матерія

Ідея кварк-глюонної плазми ґрунтується на припущенні екранування кольорового заряду, аналогічно екрануванню електричного заряду в плазмі. Окремі кварки та глюони не можуть існувати у вільному стані через явище конфайнмента, яке дозволяє вільне існування тільки безколірних або «білих» частинок — баріонів та мезонів.

Однак, при високій густині кварків та глюонів, взаємодія між ними може екрануватися і швидко зменшуватися з віддаллю. У такому разі кварки й глюони не об'єднувалися б в композитні частинки.

Кварк-глюонна плазма є передбаченим станом матерії в КХД, який існує при дуже високій температурі й густині. Цей стан, як вважають, складається з асимптотично вільних кварків і глюонів, які є одними з основних частинок, що утворюють матерію.

Вважається, що через частки мілісекунд після Великого Вибуху, Всесвіт перебубав у стані кварк-глюонної плазми (також відомий як кваркова епоха). У червні 2015 міжнародна група фізиків утворила кварк-глюонну плазму на Великому Адронному Колайдері за допомогою зіткнення протона з ядрами свинцю при високій енергії всередині детектора Компактного Мюонного Соленоїда на суперколайдері. Вони також виявили, що цей новий стан матерії поводить себе як флюїд.

Флюїд — загальний термін для позначення речовини, яка пластично деформується у часі (тече) під напруженням зсуву.

Напруженість кольорової сили змушує кварк-глюонну плазму поводити себе не так, як звичайна газова плазма. Вона поводить себе як майже ідеальна рідина Фермі, хоча дослідження її характеристик тривають.

На фазовій діаграмі кваркової матерії кварк-глюонна плазма поміщається в режим з високою температурою і густиною; в той час як звичайна матерія є холодною, розрідженою сумішшю ядер і вакууму; гіпотетичні кваркові зорі складатимуться з відносно холодної, але щільної кваркової матерії.

Експериментатори в ЦЕРН на SPS вперше намагались створити кварк-глюонну плазму в 1980-х, 1990-х роках: результати експериментів привели ЦЕРН до висновку про існування нового стану матерії, про який вони оголосили в 2000 році.

Експерименти 2011року в Брукхевенській національній лабораторії на Релятивістському колайдері важких іонів (RHIC) у Лонг-Айленді (Нью-Йорк, США) і в ЦЕРН на Великому адронному колайдері (Швейцарія) продовжують ці спроби зіткнень прискорених до релятивістських швидкостей ядер золота (RHIC) або свинцю (LHC) одого з одним або з протонами. Вчені в Брукхевені стверджують, що їм вдалось утворити кварк-глюонну плазму температурою 4 трильйони кельвін.

Три експерименти в ЦЕРН на ВАК на спектрометрах ALICE, ATLAS і CMS продовжують вивчати властивості квагми.

Кварки — елементарні частинки і фундаментальні складові матерії. Кварки об'єднуються, створюючи композитні частинки, адрони, в тому числі й найбільш стабільні серед них протони і нейтрони, складові атомних ядер.

Глюон — електрично нейтральна елементарна частинка, яка відіграє таку ж роль у сильній ядерній взаємодії, як фотон в електромагнітній.

Сильна ядерна взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних сил природи, інші три: електромагнітна, гравітаційна і слабка взаємодія.

Сильна ядерна взаємодія найпотужніша з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (відстанях співмірними з розміром ядра атома), пов'язує разом кварки, а також пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома.

Конфайнмент (утримання) — явище квантової хромодинаміки, яке робить неможливим існування у вільному стані кварків із кольоровим зарядом при нормальних умовах нижче температури Хагедорна (~10^12 K). Кварки та глюони завжди спостерігаються об'єднаними в групи, що утворюють так звані «безбарвні» або «білі» частинки адрони.

Кольоровий заряд — квантове число, яке в квантовій хромодинаміці приписується глюонам і кваркам, і виступає характеристикою сильної взаємодії.

Квантова хромодинаміка — розділ теоретичної фізики, який описує сильну взаємодію між кварками через глюонні поля. Вона є складовою частиною Стандартної Моделі.

Адрони — клас елементарних частинок, до якого належать лише частинки, що беруть участь у сильних взаємодіях.

Баріони — субатомні частинки, що складаються з трьох кварків і мають напівціле значення спіну. Разом з мезонами, складають клас адронів — частинок, що беруть участь у сильній взаємодії.

Субатомна частинка — фізичний термін, який об'єднує всі частинки в певному сенсі «дрібніші» за атом, наприклад, електрон, кварк, нейтрон тощо.

Мезони — родина елементарних частинок, адрони з цілим спіном, які складаються з кварка та антикварка. Нестабільні частинки — найдовший час життя мають піони (2.6×10^(-8) с).

Колапсар

Чорна діра зоряної маси чи колапсар — це чорна діра, що утворюється в результаті гравітаційного колапсу масивного тіла і має дуже потужне гравітаційне поле. Властивості таких об'єктів описуються, згідно з сучасними науковими уявленнями, загальною теорією відносності. Вона має масу в діапазоні приблизно від 5 до декількох десятків M☉.

Утворення колапсара

Чорні діри зоряних мас утворюються як кінцевий етап еволюції зорі: після повного вигоряння термоядерного палива й припинення реакцій, теоретично, зоря має охолоджуватися, що призведе до зменшення внутрішнього тиску й стиснення зорі під дією гравітації. Стиснення може зупинитися на певному етапі, а може перейти в стрімкий гравітаційний колапс.

Гравітаційний колапс — стискання масивних тіл під дією гравітаційних сил, що призводить до значного зменшення їх розмірів.