Gwiazda neutronowa – sekrety wnętrza

0
11

Wnętrze gwiazdy neutronowej skrywa niezwykle gęstą formę materii. Obrazowo rzecz ujmując na przestrzeni o średnicy dwudziestu kilku kilometrów “ściśnięte” są dwa słońca, inaczej mówiąc, naparstek tej materii waży ponad miliard ton. Siła grawitacji wytworzona przez tak skompresowaną strukturę jest niewyobrażalnej skali. Gwiazdy neutronowe tylko nieznacznie ustępują tutaj czarnym dziurom, obiektom, które jednak nie są już materią. Ich cząsteczki posiadają zatem najwyższy stopień gęstości “autoryzowany” przez przyrodę. W całym Wszechświecie nie można znaleźć równie gęsto upakowanej materii, dzięki czemu gwiazdy tego typu są jedynym źródłem informacji dotyczących ekstremalnych stanów materii w Kosmosie. Ich natura nie jest jednak jeszcze do końca wyjaśniona. Procesy zachodzące we wnętrzu takiej gwiazdy pozostają w zasadzie tajemnicą.

Istnienie gwiazd neutronowych potwierdzają obserwacje

Gwiazdy neutronowe powstają w wyniku ewolucji (wyczerpania paliwa wodorowego) masywnych gwiazd, rozmiarami przewyższającymi Słońce osiem do dziesięciu razy. To ostatni etap śmierci gwiazdy rozpoczynający się wybuchem supernowej. Brak paliwa powoduje niepohamowane działanie siły grawitacyjnej – jądro gwiazdy zostaje zmiażdżone, atomy je wypełniające sprasowane do rozmiarów rzędu kilku femtometrów (naprawdę niewiele). 

Ich istnienie zostało uzasadnione teoretycznie w latach 1938 – 39 niezależnymi pracami badawczymi Lwa Dawidowicza Landaua oraz Waltera Baade’a i Fritza Zwicky’ego. Odkrycie pulsarów w 1967 roku, które uznano za rotujące gwiazdy neutronowe, potwierdziło ich obecność we Wszechświecie.

Co wypełnia wnętrze gwiazdy neutronowej

Co możemy znaleźć w środku takiego obiektu? Uważa się, iż gwiazdy neutronowe wypełnione są neutronami (stąd nazwa) przemieszanymi z niewielką liczbą protonów. Przyjmuje się, iż neutrony powstają z elektronów i protonów w efekcie potężnej siły kompresji grawitacyjnej. Postulowany bywa także rozpad tychże neutronów, które przeobrażać się mają w swobodnie unoszone kwarki i gluony. Co skrywają najgłębsze warstwy jądra, trudno jest powiedzieć, gdyż na ziemi nie istnieją żadne metody laboratoryjne umożliwiające wytworzenie tak dużych gęstości i zweryfikowanie teoretycznych konceptów fizyków. Oprócz pomysłu nadciekłego płynu oraz koncepcji głoszącej istnienie we wnętrzach gwiazd neutronowych hiperonów, niezwykłych cząstek, których budulcem są tzw. kwarki dziwne, cięższe odpowiedniki tworzących zwykłą materię kwarków górnych i dolnych, mówi się także o możliwości istnienia kondensatów pionów czy kaonów. Która z form materii jest najbardziej prawdopodobna w przypadku tego typu gwiazdy? Nie wiadomo, a zajrzeć do środka nie można. Tymczasem możemy przyjrzeć się bliżej dwóm najbardziej ciekawym konstruktom teoretycznym.

Nadciekłe płyny – model 1

Jedna z koncepcji zakłada, iż obiekty tego typu zbudowane są przynajmniej z trzech warstw (podział nie jest jednak sztywny; niektóre opisy proponują cztery warstwy – dwie warstwy skorupy i dwa poziomy jądra, których skład i budowa są jedynie hipotetyczne i bywają różnie charakteryzowane): wodorowo-helowej atmosfery zewnętrznej o grubości od kilku do kilkudziesięciu centymetrów, otaczającej kilkusetmetrową żelazną skorupę zbudowaną z tradycyjnej sieci krystalicznej jąder atomowych (plus elektrony i neutrony) oraz najbardziej wewnętrznej i najbardziej zagadkowej warstwy, będącej niejako kwintesencja całej istoty gwiazdy neutronowej. Tam właśnie znajduje się materia upakowana z największa możliwą gęstością. Podążając w głąb gwiazdy kształt jąder atomowych przestaje być sferyczny, zaś w najbardziej wewnętrznym obszarze, na coraz głębszych poziomach jądra zaczynają się rozpadać; powstają nukleony (neutronowy ciekły płaszcz), które także mogą podlegać dezintegracji stając się kwarkowym płynem. Istota takiego płynu nie jest znana i jest jedynie hipotezą. Aby uzasadnić postulowaną przez fizyków nadciekłość płynu, brak lepkości i permanentny ruch, z pomocą przychodzą prawa mechaniki kwantowej. W skrócie rzecz ujmując: kwarki, będące fermionami w swej bliskości tworzą pary Coopera, pojedynczy kwark posiada połówkowy spin, co w parze daje spin zerowy, albo inną wartość całkowitą (jak w przypadku bozonu). Fermiony ogranicza zakaz Pauliego (żadne dwa fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie), który jednak nie dotyczy bozonów. Kwarki przeistaczając się z fermionów w bozony nie muszą już przyjmować wysokich stanów energetycznych aby się gromadzić, pary kwarków tworzą więc nadciekły płyn. Co prawda nie ma pewności co do istnienia w jądrze gwiazdy tego płynu, niemniej jednak hipotetyczny mechanizm jego powstania mógłby tak wyglądać. Większe prawdopodobieństwo wystąpienia nadciekłego płynu przyznaje się skorupie gwiazdy. Obserwowalne dowody związane są z przyspieszającą rotacją pulsarów – wirująca gwiazda zwalnia, jednak pozbawiony tarcia płyn nie dostosowuje się do zmiany warunków. Przy dużych różnicach prędkości moment pędu zostaje przesunięty – gwiazda rozpędza się w bardzo krótkim czasie, by ponownie zacząć zwalniać.

Koncepcja 2: kwarki dziwne

To koncepcja, która przyznaje rację istnienia wewnątrz gwiazd neutronowych pewnych “dziwnych” odmian kwarków. Z sześciu istniejących rodzajów (“zapachów”, jak mówią poeci cząstek elementarnych) kwarków, jedynie dwa najlżejsze, dolne i górne, podejrzane są o stabilną obecność w atomach. Pozostałe (wysokie, niskie, powabne oraz dziwne) są na tyle efemeryczne i niestabilne, że pojawiać się mogą tylko na “mgnienie oka” podczas zderzeń wysokoenergetycznych i to sztucznie wywoływanych w specjalnych zderzaczach cząstek. Jednak wyjątkowa “atmosfera” panująca wewnątrz gwiazdy neutronowej może sprzyjać, jak uznają niektórzy, metamorfozie kwarków górnych i dolnych w kwarki dziwne, które mogą być głównym składnikiem kwarkowej brei wypełniającej wnętrze gwiazdy, albo (bardziej intrygująca idea) generować pewną odmianę neutronów, zwaną hiperonami. Istota wnętrza gwiazdy ma wpływ na jej zewnętrzny rozmiar – breja kwarkowa ma “miękką” strukturę i pozwala na uzyskanie mniejszego promienia takiego obiektu. Sztywna struktura hiperonów “rozpycha” się w przestrzeni powiększając gabaryty gwiazdy. Stąd zrodził się pomysł pomiaru rozmiarów gwiazd neutronowych w celu uzasadnienia koncepcji form materii skrywających się w jej wnętrzu.

Metody badawcze

Sposobem poznania struktury gwiazd neutronowych mogą być analizy promieniowania emitowanego podczas zderzenia takich dwóch obiektów. Dzięki symultanicznej obserwacji fal grawitacyjnych i elektromagnetycznych, możliwa jest ocena masy i średnicy takich gwiazd przed zderzeniem, co z kolei może przyczynić się do zrozumienia budowy takich gwiazd. W tym celu opracowuje się tzw. równania stanu, według którego otrzymuje się wartość gęstości materii dla różnych poziomów ciśnienia i temperatury. 

Nowe informacje może przynieść także zwiększenie czułości detektorów fal grawitacyjnych. Należy sądzić, że fale płynu charakteryzującego się zerową lepkością miałyby niewielką wartość (materia uległaby “rozlaniu”), dużo mniejszą od emitowanych w przypadku zderzenia i rozerwania struktur cząsteczkowych. Obserwacja fal grawitacyjnych emitowanych przez nadciekły płyn znajdujący się wewnątrz jądra byłaby dużym sukcesem, dostarczając wielu pożytecznych informacji.

 

Odsłonięcie woalu tajemnicy i poznanie budowy gwiazd neutronowych ukaże obraz materii w najbardziej ekstremalnych formach. Najważniejszą kwestią z tego poznania wynikającą może być jednak odpowiedź na najbardziej frapujące fizyków pytanie dotyczące natury oddziaływań jądrowych oraz zrozumienia istoty grawitacji.

3 1 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments