Najtwardszym materiałem we Wszechświecie nie jest grafen, sieć pająka ani diament. Jest nim krystaliczna skorupa gwiazdy neutronowej. Łyżeczka od herbaty tej egzotycznej materii zaczerpnięta z najbardziej zewnętrznych obszarów skorupy (tutaj materia zachowuje się najprawdopodobniej jak ciało stałe) ważyłaby około 5 ton, gdyby ją ściągnąć na powierzchnię Ziemi. Ale gdyby "zaczerpnąć" jeszcze głębiej z obszaru jądra gwiazdy neutronowej, to byłyby to już nawet miliardy ton! W najnowszej publikacji astronomowie dostosowali modele dynamiki płynów, aby zasymulować tę egzotyczną materię.
Popularnonaukowe omówienie tego tematu było jedną z najczęściej czytanych wiadomości w 2023 roku na portalu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego AAS Nova.
Materiał niepodobny do innych
Prawie cała widzialna materia w naszym Wszechświecie ma postać plazmy, którą astrofizycy prześcigają się symulować za pomocą modeli dynamiki płynów. Ciała stałe często wymagają innego podejścia przy modelowaniu, ponieważ posiadają one własność zwaną wytrzymałością, której nie ma plazma. Jest to odporność na pękanie lub odkształcenia. Wytrzymałość materiału jest krytyczną cechą skorupy gwiazdy neutronowej, która składa się z jonów tworzących sieć krystaliczną. Skorupa gwiazdy neutronowej jest najtwardszym materiałem we Wszechświecie. Łyżeczka od herbaty tej egzotycznej materii ważyłaby około 5 ton, gdyby ją ściągnąć na powierzchnię Ziemi.
Ta niezwykła twardość oznacza, że skorupa gwiazdy neutronowej nie może być symulowana za pomocą typowych modeli dynamiki płynów, które nie uwzględniają wytrzymałości materiału.
W najnowszej publikacji zespołu astrofizyków kierowanych przez Irinę Sagert (Los Alamos National Laboratory) zmierzono się z tym problemem modelowania skorupy gwiazdy neutronowej za pomocą modeli dynamiki płynów
Na ilustracji: Zdjęcia-migawki w czasie „t” (mikrosekundy) zderzeń gumowych pierścieni. Kolor wskazuje na procent prędkości dźwięku dla symulowanych cząstek. Źródło (CC BY 4.0): I. Sagert et al 2023 ApJS 267 47
Tworzenie modelu ciała stałego
Zespół pod kierunkiem Sagert wykorzystał hydrodynamikę wygładzonych cząstek SPH (ang. smoothed-particle hydrodynamics) w modelu nazywanym FleCSPH do symulacji fal w skorupie gwiazdy neutronowej. Uważa się, że te fale mogą wyjaśnić pewne właściwości rozbłysków rentgenowskich w gwiazdach neutronowych oraz mieć wpływ na fale grawitacyjne generowane, gdy gwiazdy neutronowe zbliżają się do siebie na kursie kolizyjnym. Dotychczasowe symulacje zachowania się gwiazd neutronowych z wykorzystaniem hydrodynamiki wygładzonych cząstek (SPH) traktowały te gwiazdy w całości jako ciecz - w tym ich skorupę. Dlatego niemożliwe było badanie tych fal. Model zespołu Sagert ze współpracownikami uwzględnia stałą skorupę otaczającej ciekłe jądro.
Zanim ten model został wykorzystany do symulacji gwiazd neutronowych, wykonano testy dla kilku następujących konfiguracji:
• dwa zderzające się gumowe pierścienie, które z ściskają się i odbijają się od siebie;
• implodująca (tzn. zapadająca się do wewnątrz) sferyczna metalowa otoczka;
• cylindryczny, metalowy drążek uderzający w stałą powierzchnię.
Pomimo, że te scenariusze wydają się odległe od symulacji skorupy gwiazdy neutronowej, to jednak ww. testy pokazują możliwości tego modelu do realistycznego oddania zachowania się ciała stałego pod wpływem różnych naprężeń. Ten model przeszedł pozytywnie każdy z ww. testów – co pozwoliło astrofizykom zastosować go do głównego zadania.
Na ilustracji: Model toroidalnych oscylacji skorupy gwiazdy neutronowej. Źródło (CC BY 4.0): I. Sagert et al 2023 ApJS 267 47
Wyzwania i kierunki na przyszłość
Zespół astrofizyków zastosował swój model do symulacji rozchodzenia się toroidalnych fal w gwieździe neutronowej ze skorupą będącą ciałem stałym. Naukowcy napotkali przy tym kilka wyzwań:
• Skorupa stanowi zaledwie drobny ułamek całkowitej objętości gwiazdy neutronowej, więc cała moc obliczeniowa idzie raczej na symulację ciekłego jądra niż samej skorupy.
• W najprostszym przypadku, gdy gwiazda neutronowa nie ma pola magnetycznego, to nie powinno być również tarcia pomiędzy skorupą i jądrem. Jednak ze względu na to w jaki sposób w modelu wygładzonych cząstek (SPH) są wykonywane rachunki, mimo wszystko w symulacjach zawsze będzie jakieś tarcie pomiędzy skorupą i jądrem gwiazdy neutronowej.
• Pomimo ekstremalnych gęstości i twardości, skorupa gwiazdy neutronowej ma coś wspólnego z żelatyną – jest bardziej odporna na ściskanie ze wszystkich kierunków, niż na rozdzieranie. Ta własność oznacza, że drobne, numeryczne fluktuacje w gęstości tej skorupy mogą narastać do dużych dopóki nie zostaną wytłumione.
Astrofizycy zbadali kilka sposobów na podołanie ww. wyzwaniom i wyniki symulacji numerycznych w tym modelu wykazują obiecującą zgodność z modelami analitycznymi.
Poszukiwanie modeli skorupy gwiazdy neutronowej jeszcze się nie zakończyło, ale Sagert ze współpracownikami widzi dalsze możliwości na jego udoskonalanie. Po włączeniu do modelu fizyki relatywistycznej otworzy się nowe okno do dokładnego modelowania koalescencji gwiazd neutronowych. Pozwoli to astrofizykom ze znacznie większą dokładnością niż do tej pory, na badanie zderzeń gwiazd neutronowych oraz olbrzymich rozbłysków rentgenowskich, generowanych podczas pęknięć ich skorupy.
Więcej informacji:
• Publikacja naukowa → Modeling Solids in Nuclear Astrophysics with Smoothed Particle Hydrodynamics
• How to Model the Strongest Material in the Universe
• Looking Back on Astronomy in 2023 with AAS Nova
• Portal Urania → „Góry” na gwiazdach neutronowych - jeśli istnieją - powinny generować fale grawitacyjne
• Mikroskopowe odkształcenie pulsara źródłem fal grawitacyjnych
• Rekord prędkości na gwieździe neutronowej
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Źródło: AAS Nova
Na ilustracji: Wizja artystyczna gwiazdy neutronowej, która powstaje po kolapsie jądra gwiazdy masywnej i wybuchu tejże gwiazdy jako supernowej. Źródło: ESO/L. Calçada
