Nowa faza w gwiazdach neutronowych
Gwiazdy neutronowe to ekstremalne obiekty, których wewnętrzna materia może przybierać egzotyczne formy. Teraz naukowcy byli w stanie przewidzieć nową fazę, która sprzyja „nuklearnemu makaronowi”.
Wizja artystyczna gwiazdy neutronowej. Źródło: ESA
Gwiazdy neutronowe to ekstremalne i tajemnicze obiekty, których wnętrza astrofizycy nie mogą zobaczyć. Mając promień około dwunastu kilometrów, mogą mieć ponad dwukrotnie większą masę niż Słońce. Materia w nich jest upakowana do pięciu razy gęściej niż w jądrze atomowym; wraz z czarnymi dziurami są to najgęstsze obiekty we Wszechświecie. W ekstremalnych warunkach materia może przyjmować egzotyczne stany. Jedna z hipotez głosi, że elementy składowe jąder atomowych – protony i neutrony – odkształcają się w płytki i struny, podobnie do lasagne lub spaghetti, dlatego eksperci nazywają to „nuklearnym makaronem”.
Naukowcy z Wydziału Fizyki TU Darmstadt i Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze przyjęli nowe podejście teoretyczne do badania stanu materii nuklearnej w wewnętrznej skorupie gwiazd neutronowych. Wykazali oni, że zarówno neutrony, jak i protony mogą „kapać” z jąder atomowych i stabilizować „nuklearny makaron”. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.
Formowanie się gwiazd neutronowych
Gwiazdy neutronowe powstają, gdy masywne gwiazdy eksplodują jako supernowe: podczas gdy zewnętrzne powłoki gwiazdy są wyrzucane w przestrzeń kosmiczną, jej wnętrze zapada się. Atomy są dosłownie miażdżone przez ogromną siłę grawitacji. Pomimo odpychania ujemnie naładowane elektrony są dociskane tak blisko dodatnio naładowanych protonów w jądrze atomowym, że są przekształcane w neutrony. Silne oddziaływanie jądrowe zapobiega dalszemu rozpadowi. W rezultacie powstaje obiekt składający się w 95% z neutronów i w 5% z protonów – gwiazda neutronowa.
Naukowcy z Darmstadt pod kierownictwem Achima Schwenka są ekspertami w dziedzinie teoretycznej fizyki jądrowej, a jednym z ich zainteresowań badawczych są gwiazdy neutronowe. W swojej obecnej pracy skupiają się na skorupie tych ekstremalnych obiektów. Materia w zewnętrznej skorupie nie jest tak gęsta jak w jej wnętrzu i nadal znajdują się tam jądra atomowe. Wraz ze wzrostem gęstości w jądrach atomowych powstaje nadmiar neutronów. Neutrony mogą następnie „kapać” z jąder, zjawisko zwane „kropla neutronowa”. Jądra atomowe „pływają” zatem w swego rodzaju neutronowym sosie.
Zadaliśmy sobie pytanie, czy protony mogą również kapać z jąder – powiedział Achim Schwenk. Literatura nie była jasna w tej kwestii – kontynuuje fizyk. Zespół z Jonasem Kellerem i Kaiem Hebelerem z TU Darmstadt oraz z Christopherem Pethickiem z Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze obliczył stan materii nuklearnej w warunkach panujących w skorupie gwiazdy neutronowej. Inaczej niż wcześniej, bezpośrednio obliczyli jej energię jako funkcję frakcji protonów. Ponadto w swoich obliczeniach uwzględnili oddziaływania parami między cząstkami, a także oddziaływania między trzema nukleonami.
Dowód na istnienie „kropli protonowej”
Metoda okazała się skuteczna: Naukowcy byli w stanie wykazać, że protony w wewnętrznej skorupie również kapią z jąder. Tak więc „kropla protonowa” rzeczywiście istnieje. Ta faza składająca się z protonów współistnieje z neutronami. Udało nam się również wykazać, że faza ta sprzyja zjawisku nuklearnego makaronu – powiedział Schwenk. Dzięki protonom dodanym do „sosu”, nukleony mogą lepiej istnieć w kształtach spaghetti i lasagne. Umożliwiło to zespołowi udoskonalenie obrazu materii nuklearnej w skorupie gwiazd neutronowych.
Im lepiej potrafimy opisać gwiazdy neutronowe, tym lepiej możemy je porównać z obserwacjami astrofizycznymi – powiedział Schwenk. Gwiazdy neutronowe są trudne do zrozumienia z astrofizycznego punktu widzenia. Na przykład, ich promień znamy tylko pośrednio z oddziaływań grawitacyjnych na inną gwiazdę neutronową. Ponadto można zaobserwować inne zjawiska, takie jak pulsująca emisja radiowa z gwiazd neutronowych. Wyniki uzyskane przez zespół poprawiają teoretyczne zrozumienie gwiazd neutronowych i przyczyniają się do uzyskania nowego spojrzenia na tajemnice Wszechświata na podstawie pomiarów astrofizycznych.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
