การอภิปรายที่มีมายาวนานเกี่ยวกับสิ่งที่อยู่ในหัวใจของดาวนิวตรอนอาจจะคลี่คลายลงในไม่ช้า หากการวิเคราะห์ใหม่ที่กระทบยอดข้อมูลเชิงสังเกตและทฤษฎีได้รับการพิสูจน์แล้ว งานวิจัยล่าสุดที่ดำเนินการโดยนักฟิสิกส์ในยุโรปและสหรัฐอเมริกา สรุปว่าดาวนิวตรอนมวลมากมีแนวโน้มที่จะมีควาร์กอิสระในแกนกลางของพวกมัน มากกว่าที่จะประกอบด้วยนิวตรอนและอนุภาคที่ไม่ใช่พื้นฐานอื่นๆ ทั้งหมด
หากมีแกนที่มีความหนาแน่นสูงเช่นนี้ นักวิจัย
กล่าวว่าการมีอยู่ของพวกมันอาจทิ้งร่องรอยปากโป้งในข้อมูลคลื่นโน้มถ่วงจากการรวมดาวนิวตรอน โดยปกติควาร์กจะอยู่ภายในโปรตอนและนิวตรอน แต่พวกมันสามารถดำรงอยู่เป็นอนุภาคเดี่ยวได้หากความหนาแน่นของพลังงานสูงเพียงพอ นักวิทยาศาสตร์รู้เรื่องนี้เพราะนักวิจัยที่ทำงานเกี่ยวกับการทดลองที่ห้องปฏิบัติการ CERN ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์และห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ในสหรัฐอเมริกาได้ชนกับไอออนหนักเพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่าพลาสมาของควาร์ก-กลูออน ซึ่งเป็น “ซุป” ของควาร์กอิสระและแรงกระทำ กลูออนที่คิดว่ามีอยู่สองสามมิลลิวินาทีหลังจากบิ๊กแบง
เป็นไปได้ว่าควาร์กสามารถหลุดพ้นจากสภาวะที่จำกัดภายในแกนของดาวนิวตรอน วัตถุที่มีความหนาแน่นสูงมากเหล่านี้ก่อตัวขึ้นเมื่อดาวยักษ์ยุบตัวและสลายวัสดุส่วนใหญ่ของพวกมันในการระเบิดซุปเปอร์โนวา นักฟิสิกส์มั่นใจว่าดาวนิวตรอนมีองค์ประกอบที่หลากหลายในชั้นนอกของพวกมันและนิวตรอนแต่ละตัวอยู่ลึกเข้าไปอีก แต่พวกเขาไม่แน่ใจว่ามีอะไรอยู่ในแกนกลาง และไม่ว่านิวตรอนจะยังคงอยู่หรือแตกสลายเป็นควาร์กและกลูออนที่เป็นส่วนประกอบ
แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานในแกนกลาง
จะเทียบได้กับที่เกิดจากการชนกันของไอออนหนัก แต่ “สสารควาร์ก” ที่จะเกิดขึ้นค่อนข้างแตกต่างจากพลาสมาของควาร์ก-กลูออนที่สร้างขึ้นใหม่ในห้องปฏิบัติการ ซึ่งเย็นกว่า แต่มีความหนาแน่นมากกว่ามาก น่าเสียดายที่รูปแบบการคำนวณที่ใช้ในการจำลองพลาสมาควาร์ก-กลูออน หรือที่รู้จักในชื่อแลตทิซควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (lattice QCD) ไม่สามารถจำลองการตกแต่งภายในที่เย็นและมีมวลสารของดาวนิวตรอนได้
การวิเคราะห์ที่ไม่ขึ้นกับแบบจำลองเพื่อแก้ไขปัญหานี้Eemeli Annalaจากมหาวิทยาลัยเฮลซิงกิในฟินแลนด์และเพื่อนร่วมงานได้ทำการวิเคราะห์ข้อมูลทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์และการคำนวณเชิงทฤษฎีโดยไม่ขึ้นกับแบบจำลอง ในบทความ ที่ ตีพิมพ์ในNature Physicsพวกเขาชี้ให้เห็นว่าทฤษฎีนิวเคลียร์สามารถอธิบายได้อย่างแม่นยำว่าความดันที่เกิดจากโปรตอน นิวตรอน และเฮดรอนอื่นๆ ที่ประกอบด้วยควาร์กนั้นแปรผันตามความหนาแน่นของพลังงานในสภาพแวดล้อมที่ไม่หนาแน่นของเปลือกดาวนิวตรอนอย่างไร ในทำนองเดียวกัน พวกเขากล่าวว่า QCD สามารถใช้ในการคำนวณความแปรผันของแรงดันนี้ ซึ่งเรียกว่าสมการสถานะ ที่ความหนาแน่นสูงมาก
ความท้าทายที่แท้จริงคือการหาว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่างสุดขั้วทั้งสองนี้ เนื่องจากแกนดาวนิวตรอนอยู่ที่นี่ Annala และเพื่อนร่วมงานใช้แนวทางในการวางแผนการเปลี่ยนแปลงของฟังก์ชันมากมายที่ใช้แทนสมการสถานะของดาวนิวตรอนตลอดช่วงความหนาแน่นของพลังงานทั้งหมด พวกเขาพยายามที่จะเป็นกลางที่สุดในการเลือกฟังก์ชั่นโดยเปลี่ยนเฉพาะความเร็วสูงสุดของเสียงผ่านสสารดาวนิวตรอนและยึดแผนผังโดยใช้ข้อ จำกัด เชิงประจักษ์สองข้อ: ดาวนิวตรอนนั้นมีน้ำหนักมากถึง 1.97 มวลดวงอาทิตย์ และการบิดเบือนคลื่นของดาวนิวตรอนมวล 1.4 พลังงานแสงอาทิตย์ตรงกับค่าที่สังเกตได้
นักวิจัยพบว่าสมการแบบจำลองของรัฐนั้นเข้ากัน
ได้ค่อนข้างดีกับทฤษฎีฮาโดรนิกมาตรฐานสำหรับดาวนิวตรอนมวลต่ำกว่า – พวกเขากล่าวว่าสนามโน้มถ่วงในร่างกายเหล่านี้ไม่สูงพอที่จะฉีกนิวตรอนและโปรตอนออกจากกัน อย่างไรก็ตาม ในดาวนิวตรอนมวลมากที่สุด พวกเขาพบข้อตกลงเพียงเล็กน้อยระหว่างข้อมูลแบบจำลองทั้งสองชุด ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงสรุปว่าแกนควาร์กในดาวนิวตรอนมวลมากควรได้รับการพิจารณาว่าเป็น “สถานการณ์มาตรฐาน ไม่ใช่ทางเลือกที่แปลกใหม่”
การรวมตัวของดาวนิวตรอนและการชนกันของไอออนหนักคลื่นความโน้มถ่วงจากการควบรวมดาวนิวตรอนสามารถเผยให้เห็นพลาสมาควาร์ก-กลูออน ตามที่สมาชิกกลุ่มAleksi Kurkelaแห่งห้องปฏิบัติการ CERN ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์อธิบาย มีเพียงไม่กี่ประเด็นที่เห็นด้วยที่จะต้องให้เสียงผ่านดาวนิวตรอนด้วยความเร็วอย่างน้อย 90% ของความเร็วแสง แต่เขาให้เหตุผลว่าสิ่งนี้ไม่น่าเป็นไปได้มาก เพียงเพราะนักวิทยาศาสตร์รู้ว่าไม่มีระบบทางกายภาพใดที่สามารถรองรับความเร็วดังกล่าวได้ “การมีสสารด้วยความเร็วของเสียงที่สูงเช่นนี้จะน่าทึ่งมาก” เขากล่าว
อันที่จริง Kurkela เสริมว่าความเร็วทั่วไปมากขึ้นบ่งบอกว่าคอร์ควาร์กมีขนาดค่อนข้างใหญ่ ด้วยการกำหนดว่าคลื่นเสียงเดินทางไม่เร็วกว่าความเร็วแสงประมาณครึ่งหนึ่ง เขาและเพื่อนร่วมงานคาดการณ์ว่าดาวนิวตรอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 24 กม. จะมีแกนควาร์กยาวประมาณ 13 กม.
ยังต้องการการยืนยันนักวิจัยคิดว่าการคาดการณ์ของพวกเขาสามารถนำไปทดสอบได้ คลื่นกระแทกที่สะท้อนออกจากขอบของแกนควาร์กที่มีความหนาแน่นสูงมาก พวกเขาเถียงว่าทิ้งรอยประทับไว้ในคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นเมื่อดาวนิวตรอนรวมเข้าด้วยกัน
อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกคนที่มั่นใจ James Lattimerนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Stony Brook ในสหรัฐอเมริกา คิดว่าสสารควาร์กน่าจะอยู่ในดาวนิวตรอนมวลมาก แต่เขายืนยันว่าการศึกษาอาศัยการแก้ไขมากเกินไป – สองลำดับความสำคัญในความหนาแน่นของพลังงาน – เพื่อให้ได้ข้อสรุปที่ชัดเจน เขายังตั้งข้อสังเกตว่าสภาพร่างกายที่ผู้เขียนสันนิษฐานว่าให้ผลแกนควาร์กนั้นได้รับการแสดงโดยนักวิจัยคนอื่น ๆ เพื่อผลิตแกนที่มีเพียงเรื่องฮาดรอน
Laura Paulucciนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จาก Federal University of ABC ในบราซิล เห็นด้วยเป็นส่วนใหญ่ เธอให้เหตุผลว่าในขณะที่การวิจัยล่าสุดระบุว่าแกนควาร์กมีแนวโน้มที่จะมีอยู่จริง แต่ก็ไม่ได้ให้หลักฐานโดยตรง “เป็นการยากที่จะบอกว่าต้องใช้เวลานานแค่ไหนกว่าเราจะได้ภาพที่ชัดเจนขึ้นและได้คำตอบที่ชัดเจน” เธอกล่าว “ฉันหวังว่ามันไม่นาน”
Credit : greenteagallery.net hassegawa.net hdpaperwall.net henryxp.net hotelsnearheathrowairport.net
