Gwiazdy neutronowe to ekstremalne obiekty, których wewnętrzna materia może przybierać egzotyczne formy. Naukowcy są w stanie przewidzieć nową fazę, która sprzyja „nuklearnemu makaronowi”.
Gwiazdy neutronowe to ekstremalne i tajemnicze obiekty, których wnętrza astrofizycy nie mogą zobaczyć. Przy promieniu około dwunastu kilometrów mogą mieć masę ponad dwukrotnie większą niż Słońce. Materia jest w nich 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 nietypowe stany. Jedna z hipotez głosi, że elementy składowe jąder atomowych – protony i neutrony – odkształcają się w płytki i struny, podobnie do lazanii lub spaghetti; dlatego eksperci nazywają to „nuklearnym makaronem”.
Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt i Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze przyjęli nowe podejście teoretyczne do badania stanu materii nuklearnej w wewnętrznej skorupie gwiazd neutronowych. Wykazali, 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. 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, które mogą następnie „kapać” z jąder atomowych – to zjawisko zwane „kroplą neutronową”. 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. Jonas Keller i Kai Hebeler z Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt oraz z Christopher Pethick z Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze obliczyli stan materii nuklearnej w warunkach panujących w skorupie gwiazdy neutronowej. Inaczej niż wcześniej, badacze ci bezpośrednio obliczyli jej energię jako funkcję frakcji protonów. Ponadto w obliczeniach uwzględnili oddziaływania parami między cząstkami, a także oddziaływania między trzema nukleonami.
Dowód na istnienie „kropli protonowej”
Metoda okazała się skuteczna – wykazali, że protony w wewnętrznej skorupie również kapią z jąder. Tak więc „kropla protonowa” rzeczywiście istnieje. 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 lazanii. Umożliwiło to zespołowi udoskonalenie obrazu materii nuklearnej w skorupie gwiazd neutronowych.
Im lepiej potrafimy opisać gwiazdy neutronowe, tym lepiej możemy je porównywać z obserwacjami astrofizycznymi – powiedział Schwenk. Gwiazdy neutronowe są trudne do zrozumienia z astrofizycznego punktu widzenia – np. 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
Więcej informacji:
Źródło: TU Darmstadt
Na ilustracji: Wizja artystyczna gwiazdy neutronowej. Źródło: ESA
