Кіріспе
Кварк жұлдызы – негізінен кварктардан тұратын материяны құрайтын, тығыз экзотикалық жұлдыздың гипотетикалық түрі. Өте жоғары ядролық температура мен қысым ядролық бөлшектерді кварк материясын – еркін кварктардан тұратын материяның үздіксіз күйін – қалыптастыруға мәжбүр етеді.
A quark star is a hypothetical type of compact, exotic star, where extremely high core temperature and pressure have forced nuclear particles to form quark matter, a continuous state of matter consisting of free quarks.
Өмірбаян
Кейбір ірі жұлдыздар өмірінің соңында нейтронды жұлдыздар болып ыдырайды, бұл байқаулар мен теориялық түсіндірулерде дәлелденген. Нейтронды жұлдыздардың ішіндегі ең жоғары температура мен қысымда нейтрондар әдетте дегенерациялық қысым арқылы бір-бірінен алшақ ұсталады, бұл жұлдызды тұрақтандырып, одан әрі гравитациялық құлдырауға кедері келтіреді. Дегенмен, одан да экстремалды температура мен қысымда нейтрондардың дегенерациялық қысымы жеңіліп, нейтрондар бірігіп, құрамдас кварктарына еріп, тығыз жиналған кварктарға негіделген кварк материясының өте тығыз фазасын құрайды деп болжанады. Мұндай жағдайда кварктар арасындағы жаңа дегенерациялық қысым мен кері электромагниттік күштердің пайда болуымен жаңа тепе-теңдік орнауы тиіс, бұл толық гравитациялық құлдырауды тежейді. Егер осы идеялар дұрыс болса, кварк жұлдыздары ғаламшардың бір жерінде пайда болып, байқалуы мүмкін. Мұндай сценарий ғылыми тұрғыдан мүмкін деп есептеледі, бірақ оны байқау және эксперименттік жолмен дәлелдеуге болмайды, себебі кварк материясын тұрақтандыруға қажетті өте экстремалды жағдайларды ешбір зертханада жасау мүмкін емес, сондай-ақ ол табиғатта тікелей байқалған жоқ. Кварк материясының тұрақтылығы, демек кварк жұлдыздарының болуы, физикадағы шешілмеген мәселелердің бірі болып табылады. Егер кварк жұлдыздары пайда бола алса, кварк жұлдыздарының материясын табуға ең ықтимал орын – кварк дегенерациясы үшін қажетті ішкі қысымды асып түсетін нейтронды жұлдыздардың ішінде болар еді. Олар сондай-ақ, егер массивті жұлдыз өмірінің соңында құласа, пайда болуы мүмкін, егер жұлдыз нейтронды жұлдызға қарағанда күштірек құлауға жеткілікті үлкен болса, бірақ қара тесік құруға жеткілікті үлкен болмаса. Егер олар бар болса, кварк жұлдыздары нейтронды жұлдыздарға ұқсас болып көрінеді және оларды шатастыру оңай: олар массивті жұлдыздың II типті жарылысында (супернова) пайда болады, өте тығыз және кішкентай болады, сондай-ақ өте жоғары гравитациялық өріске ие болады. Олар нейтронды жұлдыздардың кейбір ерекшеліктерінен де айырылуы мүмкін, егер оларда нейтрондық материя қабығы болмаса, себебі еркін кварктардың дегенерацияланған нейтрондық материяның қасиеттерімен сәйкес келуі күтілмейді. Мысалы, олар радиосигналдарды шығармауы мүмкін, немесе нейтронды жұлдыздармен салыстырғанда, ерекше өлшемдерге, электромагниттік өрістерге немесе беткі температураға ие болуы мүмкін.
Тарих
Кварк жұлдыздары туралы талдауды алғаш рет 1965 жылы совет физиктері Д. Д. Иваненко мен Д. Ф. Курдгелаидзе ұсынды. Олардың болуы әлі расталмаған. Кварк материясының күй теңдеуі белгісіз, сондай-ақ нейтрондық дегенерацияланған материя мен кварк материясы арасындағы өту нүктесі де белгісіз. Теориялық нақтылықтың жетіспеуі бастапқы қағидалар негізінде болжамдар жасауға мүмкіндік бермейді. Эксперименттік жағынан, кварк материясының қасиеттері бөлшектерді шашырату арқылы белсенді түрде зерттелді, бірақ мұндай тәжірибелерде тек өте ыстық (1012 К-ден жоғары) кварк-глюон плазмасының атом ядросының көлемімен шамалас үлкен бөліктері ғана пайда болады, және олар пайда болғаннан кейін бірден ыдырайды. Кварк жұлдыздарының ішінде кездесетіндей, өте жоғары тығыздық және 1012 К-ден төмен температурадағы жағдайларды жасанды түрде қайта жарату мүмкін емес, себебі "салқын" кварк материясын тікелей өндіру, сақтау немесе зерттеуге қабілетті әдістер әзірленбеген. Теория бойынша, кварк материясы осы жағдайларда ерекше қасиеттерге ие болуы мүмкін.
Құрылу
Нейтронды жұлдызды құрайтын нейтрондық дегенерациялық зат, жұлдыздың өзінің гравитациясының күшінен немесе оны тудырған бастапқы жарылыстан (суперновадан) жеткілікті қысымға ұшырағанда, жеке нейтрондар құрамындағы кварктарға (жоғарғы және төменгі кварктарға) ыдырайды деп болжанады, нәтижесінде кварк материясы деп аталатын зат пайда болады. Бұл түрлену нейтронды жұлдыздың орталық бөлігімен ғана шектелуі мүмкін, немесе физикалық жағдайларға байланысты бүкіл жұлдызды өзгерте алады. Мұндай жұлдыз кварк жұлдызы деп аталады.
Тұрақтылық және сирек кварк материясы
Қарапайым кварк материясы жоғары және төмен кварктардан тұрады, ол қалыпты атомдық материяға қарағанда өте жоғары Ферми энергиясына ие және тек экстремалды температурада және/немесе қысымда ғана тұрақты. Бұл, тұрақты кварк жұлдыздарының тек кварк материясынан ядросы бар нейтрон жұлдыздары болатынын, ал толығымен қарапайым кварк материясынан тұратын кварк жұлдыздарының өте тұрақсыз болып, өздігінен қайта құрылатынын көрсетеді. Кәдімгі кварк материясын төмен температура мен қысымда тұрақсыз ететін жоғары Ферми энергиясы, жеткілікті мөлшердегі жоғары және төмен кварктарды таңсық кварктарға айналдыру арқылы айтарлықтай төмендетілуі мүмкін екендігі көрсетілді, себебі таңсық кварктар, салыстырмалы түрде айтқанда, кварк бөлшектерінің өте ауыр түрі болып табылады.
Бейтаныс жұлдыздар
Кварк материясынан жасалған жұлдыздар ғажайып жұлдыздар деп аталады. Олар кварк жұлдыздарының ерекше бір түрін құрайды. Егер нейтрондық дегенерациялық материя (ғажайып) кварк материясына толығымен айналса, кварк жұлдызы белгілі бір дәрежеде бір алып адрон ретінде көзге елестеуі мүмкін. Бірақ бұл "адрон" әдеттегі адрондарды байланыстыратын күшті өзара әрекеттесу емес, гравитациямен байланысады.
Байқалған аса тығыз нейтрон жұлдыздары
Жоғарғыда айтылған болжамдар бойынша, белгілі бір нейтрон жұлдызының кварк жұлдызы болу ықтималдығы төмен, сондықтан Күн жүйесінде кварк жұлдыздарының шағын ғана популяциясы болады. Дегенмен, егер тым тығыз нейтрон жұлдыздары кварк жұлдыздарына айналуы мүмкін болса, онда кварк жұлдыздарының ықтимал саны алдымен ойланғаннан артық болуы мүмкін, себебі бақылаушылар жұлдыздың дұрыс түрін іздемейді. Кварктарға және жоғары тығыздыққа дейін ыдырамайтын нейтрон жұлдызы миллисекундтан кем айналу периодына ие бола алмайды; тіпті мұндай тығыз дененің көзге көрінбейтін гравитациясы болса да, одан да жылдам айналудың центростремителді күші бетінен материяны шығарып тастайды, сондықтан миллисекундтық немесе одан да аз периодты пульсарды анықтау – кварк жұлдызының нақты дәлелі болар еді. 2002 жылдың 10 сәуірінде Чандра рентген обсерваториясы жариялаған бақылаулар екі мүмкін кварк жұлдызын – RX J1856.5−3754 және 3C 58 анықтады, бұрын олар нейтрон жұлдыздары деп есептелген. Физиканың белгілі заңдарына сәйкес, біріншісі күрт кішірек, ал екіншісі күтілгеннен мүлдем суық болды, бұл олардың нейтрондық дегенерацияланған материядан гөрі тығыз материалдан тұратынын көрсетеді. Алайда, зерттеушілер бұл бақылауларға күмәнмен қарады, нәтижелер шешімді емес деп мәлімдеді; және 2000 жылдардың соңынан бастап RX J1856 кварк жұлдызы болуы мүмкін емес екені анықталды. Айова университетінің Филип Каарет басқаратын команда XTE J1739 285 деген тағы бір жұлдызды байқап, оны мүмкін кварк жұлдызы деп атады. 2006 жылы Пекин университетінің Ю Лин Юэ және авторлар тобы PSR B0943+10 төмен массалы кварк жұлдызы болуы мүмкін деген пікірді келтірді. 2008 жылы SN 2006gy, SN 2005gj және SN 2005ap суперноваларын бақылау да кварк жұлдыздарының бар екенін көрсетеді. SN 1987A суперновасының құлаған ядросы кварк жұлдызы болуы мүмкін деген болжам бар. 2015 жылы Зи Гао Дай және авторлар тобы Нанкин университетінен ASASSN 15lh суперновасы – жаңа туған таңғажайып кварк жұлдызы болуы мүмкін деп болжады. 2022 жылы екі нейтрон жұлдызының бірігуінен пайда болған GW190425 гравитациялық толқындарды шығарды, бұл процесте кварк жұлдызы пайда болуы мүмкін деген пікір айтылды.
Басқа да гипотезалық кварк құрылымдары
Қарапайым кварк материясы мен ерекше кварк материясынан басқа, кварк-глюон плазмасының басқа түрлері нейтрон жұлдыздары мен кварк жұлдыздарының ішінде гипотетикалық түрде пайда болуы немесе қалыптасуы мүмкін. Бұған келесілер кіреді, олардың кейбіреулері зертханаларда байқалып, зерттелді: Роберт Л. Джаффе 1977 жылы, таңғажайыптығы бар (qs) төрт кварк күйін ұсынды. Роберт Л. Джаффе 1977 жылы H дибарионды ұсынды, ол тең сандағы жоғары, төмен және таңғажайып кварктардан (uuddss немесе udsuds ретінде бейнеленген) тұратын алты кварк күйі. Ауыр кварктармен байланысқан көп кварктық жүйелер (QQ). 1987 жылы пентакварк күйі алғаш рет шарм антикваркпен (qqqs) ұсынылды. Пентакварк күйі, антитаңғажайып кварк пен тек жоғары және төмен кварктардан тұратын төрт жеңіл кварктан (qqqq) тұрады. Жеңіл пентакварктар антидекуплетте топтастырылған, ең жеңіл үміткер, Θ+, оны Роберт Л. Джаффе мен Вильчек (QCD) дикварк моделімен де сипаттауға болады. Θ++ және антибөлшегі −−. Қос таңғажайып пентакварк (ssdd), жеңіл пентакварк антидекуплетінің мүшесі. H1 коллаборациясымен шармандалған пентакварк Θc(3100) (uudd) күйі анықталды. Тетракварк бөлшектері нейтрон жұлдыздарының ішінде және басқа да экстремалды жағдайларда пайда болуы мүмкін. 2008, 2013 және 2014 жылдары Z(4430) тетракварк бөлшегі Жердегі зертханаларда ашылып, зерттелді.
Robert L. Jaffe 1977, suggested a four quark state with strangeness (qs). Robert L. Jaffe 1977 suggested the H dibaryon, a six quark state with equal numbers of up , down , and strange quarks (represented as uuddss or udsuds). Bound multi quark systems with heavy quarks (QQ). In 1987, a pentaquark state was first proposed with a charm anti quark (qqqs). Pentaquark state with an antistrange quark and four light quarks consisting of up and down quarks only (qqqq). Light pentaquarks are grouped within an antidecuplet, the lightest candidate, Θ+, which can also be described by the diquark model of Robert L. Jaffe and Wilczek (QCD). Θ++ and antiparticle −−. Doubly strange pentaquark (ssdd), member of the light pentaquark antidecuplet. Charmed pentaquark Θc(3100) (uudd) state was detected by the H1 collaboration. Tetraquark particles might form inside neutron stars and under other extreme conditions. In 2008, 2013 and 2014 the tetraquark particle of Z(4430), was discovered and investigated in laboratories on Earth.