Το εσωτερικό ενός αστεριού νετρονίων φαίνεται τρομακτικά οικείο

Καυτά ρευστά νετρονίων που ρέουν χωρίς τριβή, υπεραγωγοί από πρωτόνια και ένας στερεός φλοιός κατασκευασμένος από εξωτικά άτομα—χαρακτηριστικά όπως αυτά καθιστούν τα αστέρια νετρονίων μερικά από τα πιο παράξενα αντικείμενα που έχουμε βρει στον κόσμο μέχρι στιγμής. Συσκευάζουν όλη τη μάζα ενός αστεριού σε μια σφαίρα στο μέγεθος μιας πόλης, με αποτέλεσμα καταστάσεις ύλης που απλώς δεν έχουμε στη Γη.

Και όμως, παρά την ακραία παραξενότητά τους, τα αστέρια νετρονίων περιέχουν ένα συνονθύλευμα αόριστα οικείων χαρακτηριστικών, σαν να φαίνονται σκοτεινά μέσα από έναν καθρέφτη διασκέδασης. Ένα από τα πιο περίεργα είναι το γεγονός ότι βαθιά μέσα σε ένα αστέρι νετρονίων μπορείτε να βρείτε ένα ολόκληρο μενού γεμάτο (πυρηνικά) ζυμαρικά.

Τα ζυμαρικά είναι φτιαγμένα από πρωτόνια και νετρόνια, που συγκρατούνται μεταξύ τους από τις ακραίες πιέσεις. Αυτοί οι παράξενοι πυρήνες διατάσσονται σε περίεργες διαμορφώσεις που ο Ματ Κάπλαν του Πανεπιστημίου της Ιντιάνα και οι συνάδελφοί του αποκαλούν «πυρηνικά ζυμαρικά». Το στρώμα των ζυμαρικών βρίσκεται στον εσωτερικό φλοιό, μια μεταβατική ζώνη μεταξύ του εξωτερικού φλοιού και του πυρήνα ενός αστέρα νετρονίων. Στην κορυφή αυτού του στρώματος, οι πυρήνες σχηματίζουν σταγόνες που ονομάζονται «νιόκι». Πιο βαθιά, ενώνονται σε κυλινδρικά σχήματα που ονομάζονται «μακαρόνια». Περισσότερη πίεση και τα μακαρόνια συμπιέζονται σε «λαζάνια»:επίπεδα φύλλα πυρηνικής ύλης. Στη συνέχεια, τα ζυμαρικά μετατρέπονται σε «αντι-ζυμαρικά»:Τα φύλλα των λαζάνια σχηματίζουν κυλινδρικές κοιλότητες όπου αρχίζουν να διαρρέουν νετρόνια, τα οποία ο Caplan ονομάζει «αντι-μακαρονάδα». Και τέλος, όταν η πίεση είναι αρκετά υψηλή, αυτές οι κοιλότητες σπάνε σε μικρές φυσαλίδες, τη φάση "anti-gnocchi".

Και ναι, αυτοί είναι όλοι όροι που χρησιμοποιούνται σε έγγραφα που δημοσιεύονται από τον Caplan και την ομάδα του. Ένα έγγραφο κάνει ακόμη και αναφορά σε «πυρηνικές βάφλες», που είναι σαν λαζάνια με τρύπες.

Ακόμη πιο περίεργη είναι η ομοιότητα των πυρηνικών ζυμαρικών με δομές που σχηματίζονται από ορισμένα βιολογικά μόρια. Αυτά τα μόρια είναι λιπιδικά πολυμερή, τα οποία βρίσκονται στα λίπη. Επειδή είναι φτιαγμένα από ένα στρώμα που αγαπά το νερό και το νερό που απωθεί, οι αλληλεπιδράσεις τους με ένα υδάτινο περιβάλλον τα κάνουν να αυτοσυναρμολογούνται σε δομές που μοιάζουν με σπαγγέτι και λαζάνια, γνωστές ως ενδοπλασματικό δίκτυο, που βρίσκονται σε πολύπλοκα (ευκαρυωτικά) κύτταρα.

Η ομοιότητα είναι εντυπωσιακή, παρόλο που τα συστήματα δεν θα μπορούσαν να φαίνονται πιο διαφορετικά από τις περισσότερες απόψεις. Τα πυρηνικά ζυμαρικά είναι περίπου 100 τρισεκατομμύρια φορές πιο πυκνά από το εσωτερικό ενός κυττάρου—δηλαδή 10 ή 1 ακολουθούμενο από 14 μηδενικά. Οι δυνάμεις σε ένα αστέρι νετρονίων είναι ο ισχυρός ηλεκτρομαγνητισμός και οι πυρηνικές δυνάμεις. Τα κύτταρα διέπονται από ασθενέστερες μοριακές ηλεκτρικές δυνάμεις και τις μικροσκοπικές ιδιότητες του νερού. Ακόμη και τα δομικά στοιχεία είναι διαφορετικά:Οι πρώτες ύλες για τα πυρηνικά ζυμαρικά είναι πρωτόνια και νετρόνια, ενώ το ενδοπλασματικό δίκτυο αποτελείται από μακριές αλυσίδες μορίων που δένονται μεταξύ τους.

Ο Caplan λέει, «Αυτό που είναι κοινό είναι ότι θέλουν να ελαχιστοποιήσουν την επιφανειακή ενέργεια». Σκεφτείτε μια σαπουνόφουσκα ή μια πιτσιλιά νερού στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό:Σχηματίζουν περίπου σφαιρικά σχήματα. Αυτό συμβαίνει επειδή οι επιφανειακές δυνάμεις έλκουν τα μόρια μαζί σε σφαίρες, οι οποίες περιλαμβάνουν τη χαμηλότερη ποσότητα ενέργειας στην επιφάνεια. Οι δυνάμεις που δημιουργούν τα πυρηνικά ζυμαρικά και το ενδοπλασματικό δίκτυο δεν είναι τόσο συμμετρικές, χάρη στις ανταγωνιστικές ελκυστικές και απωθητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στρωμάτων λαζάνια και του περιβάλλοντος υλικού. Ωστόσο, οι νόμοι της φυσικής εξακολουθούν να λειτουργούν και θέλουν να ελαχιστοποιήσουν τη σχετική ενέργεια. Το αποτέλεσμα είναι σταγόνες και διπλωμένα φύλλα και κοιλότητες στον φλοιό του αστεριού νετρονίων ή στο υδάτινο εσωτερικό ενός κυττάρου. Οι δυνάμεις και οι πυκνότητες δεν θα μπορούσαν να είναι πιο διαφορετικές, ωστόσο τα σχήματα που εμφανίζονται είναι εκπληκτικά παρόμοια.

Μια άλλη απόκοσμη ομοιότητα εξηγεί γιατί οι επιστήμονες ενδιαφέρονται τόσο πολύ για τα πυρηνικά ζυμαρικά στην αρχή. Το στρώμα των ζυμαρικών βρίσκεται ανάμεσα στον σκληρό εξωτερικό φλοιό του αστέρα νετρονίων και στο υπερρευστό εσωτερικό του. Κάτω από το στρώμα αντι-νιόκι, σχεδόν κάθε πρωτόνιο συγχωνεύεται με ένα ηλεκτρόνιο για να δημιουργήσει νετρόνια, τα οποία σηματοδοτούν το όριο όπου τελειώνει ο εσωτερικός φλοιός. Κάτω από αυτό βρίσκεται ο πυρήνας του αστέρα νετρονίων, ο οποίος είναι ένα υπερρευστό νετρονίων:ένα υγρό που ρέει χωρίς αντίσταση. (Οι ερευνητές πιστεύουν ότι υπάρχει και ένας εσωτερικός πυρήνας, αλλά το πώς ακριβώς λειτουργεί αυτό είναι θέμα αμφισβήτησης.) Καθισμένοι ανάμεσα στο ελεύθερα ρέον υγρό νετρονίων και τον άκαμπτο εξωτερικό φλοιό σιδήρου, τα πυρηνικά ζυμαρικά είναι η διεπαφή μεταξύ πολύ διαφορετικών ζωνών.

Αυτό είναι ακριβώς όπως ο μανδύας που μοιάζει με πλαστικό στη Γη, ο οποίος βρίσκεται μεταξύ του ρέοντος λιωμένου εξωτερικού πυρήνα και του στερεού φλοιού. Ο μανδύας της Γης είναι το κλειδί για την κατανόηση των σεισμών και το στρώμα ζυμαρικών ενός αστέρα νετρονίων είναι απαραίτητο για την περιγραφή μιας από τις πιο δραματικές εκλύσεις στρες οπουδήποτε στο σύμπαν:τον αστρικό σεισμό.

«Αν έχετε έναν σεισμό πολύ μεγάλου μεγέθους, οι σεισμολόγοι ανιχνεύουν τόσο την αρχική ρήξη του φλοιού όσο και τα σεισμικά κύματα που αναπηδούν γύρω στο εσωτερικό της Γης», λέει η Άννα Γουότς, αστρονόμος αστέρα νετρονίων στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ. Ομοίως, «οι αστρικοί σεισμοί γίνονται πολύ ενδιαφέρον πράγμα, επειδή ουσιαστικά σας επιτρέπουν να κοιτάξετε μέσα στο αστέρι [νετρονίων] κοιτάζοντας την απόκριση του αστεριού». Ακριβώς όπως οι σεισμοί οδήγησαν τους ερευνητές να ανακαλύψουν την ύπαρξη και τη φύση του πυρήνα της Γης, οι σεισμοί δονούνται σε ολόκληρο το εσωτερικό του αστέρα νετρονίων. Αυτό που συμβαίνει στην κρούστα δεν μένει εκεί:Η θραύση του στερεού κρυστάλλου μεταδίδει κραδασμούς μέσω του στρώματος ζυμαρικών στον πυρήνα και με τη σειρά του μπορεί να ανατροφοδοτήσει τον τρόπο συμπεριφοράς του φλοιού. Αλλά αυτό που παρατηρούμε -έμμεσα- είναι ο τρόπος με τον οποίο ο φλοιός σπάει και μεταρρυθμίζεται. «Όταν κοιτάς ένα αστέρι νετρονίων, αυτό που βλέπεις είναι ο φλοιός», λέει ο Caplan. "Πρέπει να καταλάβετε την κρούστα, διαφορετικά δεν καταλαβαίνετε τίποτα."

Στην πραγματικότητα, είναι πιο ορατό από τη Γη όταν ένα αστέρι νετρονίων υφίσταται αστρικό σεισμό. Τα αστέρια νετρονίων είναι πολύ μικροσκοπικά για να τα δει κανείς άμεσα, αλλά μερικά έχουν τόσο έντονα μαγνητικά πεδία που είναι γνωστά ως μαγνήτες. Αυτά είναι πιθανότατα από τα νεότερα αστέρια νετρονίων και τα ισχυρά μαγνητικά τους πεδία παράγουν διαστημικές καιρικές συνθήκες παρόμοιο με αυτό που βλέπουμε από τον ήλιο κατά τη διάρκεια ηλιακών καταιγίδων—αν και με στροφάλους έως και 11. Τα μαγνητικά πεδία δεν τους αρέσει να είναι σφιχτά συσκευασμένα μεταξύ τους, οπότε « ανασυνδυάστε», συνδυάζονται και απελευθερώνουν τεράστια ποσότητα ενέργειας. Το αποτέλεσμα είναι η θραύση του φλοιού του μαγνητάρ, ένας τεράστιος σεισμός και μια έκρηξη ακτίνων γάμμα.

«Η πολύ φωτεινή αρχική λάμψη των ακτίνων γάμμα τείνει να τηγανίζει οποιονδήποτε δορυφόρο τον κοιτάζει αμέσως», λέει ο Watts — αν και ένα τηλεσκόπιο δεν χρειάζεται να κοιτάζει κατευθείαν σε έναν μαγνήτη για να δει αυτές τις εκρήξεις. Ευτυχώς για τους δορυφόρους, αλλά δυστυχώς για τους επιστήμονες, οι εκλάμψεις ακτίνων γάμμα όπως αυτή είναι σπάνιες:Μόνο τρεις έχουν συμβεί από τότε που είχαμε τον εξοπλισμό για να τις δούμε.

Αλλά αυτό είναι που βλέπουμε από τη Γη:οι ακτίνες γάμμα και άλλο φως από το αστέρι νετρονίων. Χρησιμοποιώντας τον μαγικό συνδυασμό παρατήρησης, θεωρίας και προσομοιώσεων υπολογιστή, μπορούμε να ανιχνεύσουμε την έκρηξη πίσω στον αστεροειδή σεισμό—και το στρώμα ζυμαρικών μεταξύ του σπασμένου φλοιού και του ρευστού πυρήνα.

Η κατανόηση των πυρηνικών ζυμαρικών θα μπορούσε να μας βοηθήσει να καταλάβουμε όχι μόνο τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια αστρικών σεισμών με ρήξη φλοιού, αλλά και να αποκαλύψει μερικές από τις μυστηριώδεις δυναμικές του πυρήνα των άστρων νετρονίων. Ο πυρήνας ενός αστέρα νετρονίων είναι ένα εκπληκτικό δυναμό, που παράγει τα πιο έντονα μαγνητικά πεδία που γνωρίζουμε. Αυτά τα μαγνητικά πεδία πρέπει να δημιουργούνται με κινούμενα ηλεκτρικά φορτία, αλλά η ακριβής φύση του δυναμό είναι άγνωστη. Αυτό συμβαίνει επειδή σχεδόν τα πάντα σχετικά με τον πυρήνα του αστέρα νετρονίων είναι απρόσιτα για πειράματα στη Γη, χάρη στις έντονες πιέσεις που εμπλέκονται. Οι ερευνητές δεν έχουν ούτε μια σαφή θεωρητική εικόνα που να συνδέει την πίεση της ουσίας του πυρήνα με την πυκνότητα και τη θερμοκρασία της, κάτι που θα μας επέτρεπε να περιγράψουμε όλα τα χρήσιμα πράγματα, όπως το μέγεθος του αστέρα νετρονίων. Η ανάδευση υλικού βαθιά στον πυρήνα είναι απαραίτητη για την κατανόηση ολόκληρου του αστέρα νετρονίων και το στρώμα ζυμαρικών είναι η σύνδεση μεταξύ αυτού του άγνωστου και των παρατηρήσιμων ιδιοτήτων.

Το αστέρι νετρονίων δεν είναι το πρώτο παράδειγμα στη φύση ομοιότητας μορφής σε πολύ διαφορετικές κλίμακες και υλικά. Ασυνήθιστα επίμονα κύματα που ονομάζονται σολίτονα φαίνονται σε υπεραγώγιμα σύρματα και σε ωκεανούς, μέτωπα κρουστικών κυμάτων συμβαίνουν στις εκτάσεις έτους φωτός των γαλαξιών και σε μικροσκοπικές φυσαλίδες νερού και οι δίνες χαρακτηρίζουν τα πάντα, από ανεμοστρόβιλους έως μαγνητικά πεδία. Η ιδέα των επίμονων μορφών ανάγεται τουλάχιστον στον Τίμαιο του Πλάτωνα ο διάλογος, όπου ένας ημίουργος, ή θεϊκός τεχνίτης, σφραγίζει σχήματα στον υλικό κόσμο από αιώνια και αμετάβλητα μοντέλα. Φιλόσοφοι και επιστήμονες ανακάλυψαν έναν κόσμο όπου η παράξενη ηχώ του αστέρα νετρονίων δεν είναι απλώς κοινή, αλλά αναμενόμενη.

Ο Matthew R. Francis είναι φυσικός, επιστημονικός συγγραφέας, δημόσιος ομιλητής και εκπαιδευτικός.

Αγοράστε αυτό το έργο τέχνης

Αναφορές

1. Caplan, Μ.Ε., Schneider, A.S., Horowitz, C.J., &Berry, D.K. Πυρηνοσύνθεση ζυμαρικών:Προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής πυρηνικής στατιστικής ισορροπίας. Φυσική ανασκόπηση Γ 91 , 065802 (2015).

2. Schneider, A.S., Berry, D.K., Briggs, C.M., Caplan, M.E., &Horowitz, C.J. Nuclear "waffles". Φυσική ανασκόπηση Γ 90 , 055805 (2014).

3. Lander, S.K., Andersson, N., Antonopoulou, D., &Watts, A.L. Μαγνητικά οδηγούμενοι κροσταλλικοί σεισμοί σε αστέρια νετρονίων. Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας 449 , 2047-2058 (2015).

* Η εικόνα ανατυπώθηκε με άδεια από τους Schneider, A.S., Horowitz, C.J., Hughto, J., &Berry, D.K. Πυρηνικός σχηματισμός «ζυμαρικών». Φυσική ανασκόπηση C 88 , 065807 (2013). Πνευματικά δικαιώματα 2015 από την American Physical Society.