Neutron Star Interiors:Unraveling the Mysteries of Extreme Matter

Ο πυρήνας ενός αστέρα νετρονίων είναι ένα τόσο ακραίο περιβάλλον που οι φυσικοί δεν μπορούν να συμφωνήσουν για το τι συμβαίνει μέσα. Αλλά ένα νέο πείραμα που βασίζεται στο διάστημα - και μερικά ακόμη συγκρουόμενα αστέρια νετρονίων - θα πρέπει να αποκαλύψει εάν τα ίδια τα νετρόνια διασπώνται.

Εισαγωγή

Οι ειδοποιήσεις ξεκίνησαν νωρίς το πρωί της 17ης Αυγούστου. Βαρυτικά κύματα που παράγονται από το ναυάγιο δύο άστρων νετρονίων —πυκνοί πυρήνες νεκρών αστεριών— είχαν ξεπλυθεί πάνω από τη Γη. Οι χιλιάδες και πλέον φυσικοί του Προηγμένου Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO) έσπευσαν να αποκωδικοποιήσουν τις χωροχρονικές δονήσεις που κύλησαν στους ανιχνευτές σαν μια αστραπιαία βροντή. Χιλιάδες αστρονόμοι προσπάθησαν να παρακολουθήσουν τη λάμψη. Όμως, επισήμως, όλη αυτή η δραστηριότητα κρατήθηκε μυστική. Τα δεδομένα έπρεπε να συλλεχθούν και να αναλυθούν, τα έγγραφα να γραφτούν. Ο έξω κόσμος δεν θα το ήξερε για δύο ακόμη μήνες.

Η αυστηρή απαγόρευση έφερε την Jocelyn Read και την Κατερίνα Χατζηιωάννου, δύο μέλη της συνεργασίας LIGO, σε λίγο άβολη κατάσταση. Το απόγευμα της 17ης ημέρας, οι δυο τους ήταν προγραμματισμένο να ηγηθούν ενός πάνελ σε ένα συνέδριο αφιερωμένο στο ερώτημα του τι συμβαίνει κάτω από τις σχεδόν ανεξιχνίαστες συνθήκες στο εσωτερικό ενός αστέρα νετρονίων. Το θέμα του πάνελ τους; Πώς θα έμοιαζε μια συγχώνευση αστεριών νετρονίων. «Πήγαμε κάπως στο διάλειμμα για καφέ και καθίσαμε κοιτάζοντας ο ένας τον άλλον», είπε ο Read, καθηγητής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Fullerton. "Εντάξει, πώς θα το κάνουμε αυτό;"

Οι φυσικοί έχουν περάσει δεκαετίες συζητώντας εάν τα αστέρια νετρονίων περιέχουν ή όχι νέες μορφές ύλης, που δημιουργούνται όταν τα αστέρια διασπούν τον γνωστό κόσμο των πρωτονίων και των νετρονίων σε νέες αλληλεπιδράσεις μεταξύ κουάρκ ή άλλων εξωτικών σωματιδίων. Η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση θα φωτίσει επίσης τα αστρονομικά μυστήρια γύρω από τις σουπερνόβα και την παραγωγή των βαρέων στοιχείων του σύμπαντος, όπως ο χρυσός.

Εκτός από την παρακολούθηση των συγκρούσεων χρησιμοποιώντας το LIGO, οι αστροφυσικοί έχουν ασχοληθεί με την ανάπτυξη δημιουργικών τρόπων για να ανιχνεύουν αστέρια νετρονίων από το εξωτερικό. Η πρόκληση είναι τότε να συμπεράνουμε κάτι για τα κρυμμένα επίπεδα μέσα. Αλλά αυτό το σήμα LIGO και άλλα παρόμοια - που εκπέμπονται ως δύο αστέρια νετρονίων που κινούνται με πιρουέτα γύρω από το κέντρο μάζας τους, τραβούν το ένα το άλλο σαν τάφι και τελικά συνθλίβονται μαζί - προσφέρει μια εντελώς νέα λαβή για το πρόβλημα.

Παράξενο θέμα

Ένα αστέρι νετρονίων είναι ο συμπιεσμένος πυρήνας ενός τεράστιου άστρου - οι εξαιρετικά πυκνές στάχτες που απομένουν μετά από μια σουπερνόβα. Έχει τη μάζα του ήλιου, αλλά συμπιέζεται σε ένα χώρο στο πλάτος μιας πόλης. Ως εκ τούτου, τα αστέρια νετρονίων είναι οι πιο πυκνές δεξαμενές ύλης στο σύμπαν — το "τελευταίο υλικό στη γραμμή πριν από μια μαύρη τρύπα", δήλωσε ο Mark Alford, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις.

Το να τρυπήσουμε σε ένα θα μας έφερνε στην άκρη της σύγχρονης φυσικής. Ένα ή δύο εκατοστά κανονικών ατόμων - κυρίως σίδηρος και πυρίτιο - επικαλύπτει την επιφάνεια όπως ο λαμπερός κόκκινος καπλαμάς στο πιο πυκνό Gobstopper του σύμπαντος. Τότε τα άτομα συμπιέζονται τόσο κοντά μεταξύ τους που χάνουν τα ηλεκτρόνια τους, τα οποία πέφτουν σε μια κοινή θάλασσα. Πιο βαθιά, τα πρωτόνια μέσα στους πυρήνες αρχίζουν να μετατρέπονται σε νετρόνια, τα οποία συγκεντρώνονται τόσο κοντά μεταξύ τους που αρχίζουν να επικαλύπτονται.

Περιοδικό Lucy Reading-Ikkanda/Quanta; Πηγή:Feryal Özel

Αλλά οι θεωρητικοί διαφωνούν για το τι συμβαίνει μακρύτερα, όταν οι πυκνότητες υπερβαίνουν δύο ή τρεις φορές υψηλότερες από την πυκνότητα ενός κανονικού ατομικού πυρήνα. Από τη σκοπιά της πυρηνικής φυσικής, τα αστέρια νετρονίων θα μπορούσαν απλώς να είναι πρωτόνια και νετρόνια - που ονομάζονται συλλογικά νουκλεόνια - μέχρι το τέλος.

Άλλοι αστροφυσικοί υποψιάζονται το αντίθετο. Τα νουκλεόνια δεν είναι στοιχειώδη σωματίδια. Αποτελούνται από τρία κουάρκ. Κάτω από τεράστια πίεση, αυτά τα κουάρκ μπορεί να σχηματίσουν μια νέα κατάσταση ύλης κουάρκ. «Τα νουκλεόνια δεν είναι μπάλες του μπιλιάρδου», είπε ο David Blaschke, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Βρότσλαβ στην Πολωνία. "Είναι σαν τα κεράσια. Άρα μπορείς να τα συμπιέσεις λίγο, αλλά κάποια στιγμή τα σπάς."

Αλλά για κάποιους, η προοπτική μιας μαρμελάδας κουάρκ σαν αυτό είναι ένα σχετικά σενάριο βανίλιας. Οι θεωρητικοί εικάζουν εδώ και καιρό ότι στρώματα άλλων περίεργων σωματιδίων μπορεί να προκύψουν μέσα σε ένα αστέρι νετρονίων. Καθώς τα νετρόνια συγκεντρώνονται πιο κοντά, όλη αυτή η επιπλέον ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία βαρύτερων σωματιδίων που περιέχουν όχι μόνο τα κουάρκ «πάνω» και «κάτω» που αποτελούν αποκλειστικά πρωτόνια και νετρόνια, αλλά βαρύτερα και πιο εξωτικά «παράξενα» κουάρκ.

Για παράδειγμα, τα νετρόνια μπορεί να αντικατασταθούν από υπερόνια, σωματίδια τριών κουάρκ που περιλαμβάνουν τουλάχιστον ένα περίεργο κουάρκ. Τα εργαστηριακά πειράματα μπορούν να δημιουργήσουν υπερόνια, αλλά εξαφανίζονται σχεδόν αμέσως. Βαθιά μέσα στα αστέρια νετρονίων, μπορεί να είναι σταθερά για εκατομμύρια χρόνια.

Εναλλακτικά, τα κρυμμένα βάθη των αστεριών νετρονίων μπορεί να είναι γεμάτα με καόνια — επίσης φτιαγμένα από περίεργα κουάρκ — που συγκεντρώνονται σε ένα μόνο κομμάτι ύλης που μοιράζεται την ίδια κβαντική κατάσταση.

Για δεκαετίες, όμως, το γήπεδο έχει κολλήσει. Οι θεωρητικοί εφευρίσκουν ιδέες για το τι μπορεί να συμβαίνει μέσα σε αστέρια νετρονίων, αλλά αυτό το περιβάλλον είναι τόσο ακραίο και άγνωστο που τα πειράματα εδώ στη Γη δεν μπορούν να φτάσουν στις σωστές συνθήκες. Στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven και στο CERN, για παράδειγμα, οι φυσικοί συνθλίβουν βαρείς πυρήνες όπως εκείνους του χρυσού και του μολύβδου. Αυτό δημιουργεί μια θολή κατάσταση της ύλης που αποτελείται από απελευθερωμένα κουάρκ, γνωστά ως πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων. Αλλά αυτό το υλικό είναι σπάνιο, όχι πυκνό, και σε δισεκατομμύρια ή τρισεκατομμύρια μοίρες, είναι πολύ πιο ζεστό από το εσωτερικό του αστέρα νετρονίων, που βρίσκεται στα σχετικά ψυχρά εκατομμύρια.

Ακόμη και η δεκαετίες θεωρία των κουάρκ και των πυρήνων - «κβαντική χρωμοδυναμική» ή QCD - δεν μπορεί πραγματικά να δώσει απαντήσεις. Οι υπολογισμοί που απαιτούνται για τη μελέτη του QCD σε σχετικά κρύα, πυκνά περιβάλλοντα είναι τόσο καταστροφικά δύσκολοι που ούτε οι υπολογιστές μπορούν να υπολογίσουν τα αποτελέσματα. Οι ερευνητές αναγκάζονται να καταφύγουν σε υπεραπλούστευση και συντομεύσεις.

Η μόνη άλλη επιλογή είναι οι αστρονόμοι να μελετήσουν οι ίδιοι τα αστέρια νετρονίων. Δυστυχώς, τα αστέρια νετρονίων είναι μακρινά, επομένως αμυδρά και δύσκολο να μετρηθούν για οτιδήποτε άλλο εκτός από τις πολύ βασικές ιδιότητες του όγκου. Ακόμη χειρότερα, η πραγματικά ενδιαφέρουσα φυσική συμβαίνει κάτω από την επιφάνεια. "Είναι λίγο σαν να υπάρχει αυτό το εργαστήριο που κάνει καταπληκτικά πράγματα", είπε ο Άλφορντ, "αλλά το μόνο που επιτρέπεται να κάνετε είναι να δείτε το φως να βγαίνει από το παράθυρο."

Ωστόσο, με μια νέα γενιά πειραμάτων που έρχεται στο διαδίκτυο, οι θεωρητικοί ενδέχεται σύντομα να αποκτήσουν την καλύτερη ματιά τους.

Σκληρό ή σκληρό;

Οτιδήποτε μπορεί να βρίσκεται μέσα στον πυρήνα ενός αστέρα νετρονίων - χαλαρά κουάρκ, ή συμπυκνώματα καονίων, ή υπερόνια, ή απλά παλιά νουκλεόνια - το υλικό πρέπει να είναι σε θέση να αντέξει το συντριπτικό βάρος μεγαλύτερο από τη βαρύτητα ενός ήλιου. Διαφορετικά, το αστέρι θα κατέρρεε σε μια μαύρη τρύπα. Αλλά διαφορετικά υλικά θα συμπιεστούν σε διαφορετικούς βαθμούς όταν συμπιεστούν από τη μέγγενη της βαρύτητας, καθορίζοντας πόσο βαρύ μπορεί να είναι το αστέρι σε ένα δεδομένο φυσικό μέγεθος.

Καθηλωμένοι στο εξωτερικό, οι αστρονόμοι εργάζονται ανάποδα για να καταλάβουν από τι αποτελούνται τα αστέρια νετρονίων. Για το σκοπό αυτό, βοηθάει να γνωρίζουμε πόσο στριμωγμένα ή δύσκαμπτα είναι όταν πιέζονται. Και για αυτό, οι αστρονόμοι πρέπει να μετρήσουν τις μάζες και τις ακτίνες διαφόρων άστρων νετρονίων.

Όσον αφορά τη μάζα, τα πιο εύκολα ζυγιζόμενα αστέρια νετρονίων είναι τα πάλσαρ:αστέρια νετρονίων που περιστρέφονται γρήγορα, σαρώνοντας μια ραδιοδέσμη σε όλη τη Γη με κάθε περιστροφή. Περίπου το 10 τοις εκατό από τα 2.500 γνωστά πάλσαρ ανήκουν σε δυαδικά συστήματα. Καθώς αυτά τα πάλσαρ κινούνται με τους συντρόφους τους, αυτό που θα έπρεπε να είναι μια συνεχής συχνότητα παλμών που χτυπούν τη Γη θα ποικίλλει, προδίδοντας την κίνηση του πάλσαρ και τη θέση του στην τροχιά του. Και από την τροχιά, οι αστρονόμοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν τους νόμους του Κέπλερ και τους πρόσθετους κανόνες που επιβάλλονται από τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν για να λύσουν τις μάζες του ζεύγους.

Μέχρι στιγμής, η μεγαλύτερη ανακάλυψη ήταν η ανακάλυψη εκπληκτικά παχύρρευστων άστρων νετρονίων. Το 2010, μια ομάδα με επικεφαλής τον Scott Ransom στο Εθνικό Ραδιοαστρονομικό Παρατηρητήριο στη Βιρτζίνια ανακοίνωσε ότι μέτρησαν ένα πάλσαρ που ζύγιζε περίπου δύο ηλιακές μάζες - καθιστώντας το πολύ μεγαλύτερο από οποιοδήποτε άλλο προηγουμένως είχε δει. Μερικοί άνθρωποι αμφισβήτησαν αν ένα τέτοιο αστέρι νετρονίων θα μπορούσε να υπάρξει. ότι είχε τεράστιες συνέπειες για την κατανόησή μας για το πώς συμπεριφέρονται οι πυρήνες. "Τώρα είναι σαν το πιο δημοφιλές έγγραφο παρατηρητικών πάλσαρ που έγινε ποτέ, λόγω των πυρηνικών φυσικών", είπε ο Ράνσομ.

Σύμφωνα με ορισμένα μοντέλα άστρων νετρονίων, τα οποία υποστηρίζουν ότι η βαρύτητα θα πρέπει να συμπιέζει έντονα τα αστέρια νετρονίων, ένα αντικείμενο σε αυτή τη μάζα θα πρέπει να καταρρεύσει σε όλη τη διαδρομή σε μια μαύρη τρύπα. Αυτό θα ήταν άσχημα νέα για τα συμπυκνώματα καονίων, τα οποία θα ήταν ιδιαίτερα στριμωγμένα, και προοιωνίζεται άσχημα για ορισμένες εκδοχές ύλης κουάρκ και υπερονίων που θα συμπίεζαν επίσης πάρα πολύ. Η μέτρηση επιβεβαιώθηκε με την ανακάλυψη ενός άλλου αστέρα νετρονίων δύο ηλιακών μαζών το 2013.

Οι ακτίνες είναι πιο δύσκολες. Αστροφυσικοί όπως ο Feryal Özel στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα έχουν επινοήσει διάφορα κόλπα για να υπολογίσουν το φυσικό μέγεθος των άστρων νετρονίων παρατηρώντας τις ακτίνες Χ που εκπέμπονται στην επιφάνειά τους. Εδώ είναι ένας τρόπος:Μπορείτε να δείτε τη συνολική εκπομπή ακτίνων Χ, να τη χρησιμοποιήσετε για να υπολογίσετε τη θερμοκρασία της επιφάνειας και στη συνέχεια να υπολογίσετε πόσο μεγάλο πρέπει να είναι το αστέρι νετρονίων για να εκπέμψει το παρατηρούμενο φως (διόρθωση για το πώς κάμπτεται το φως στον χωροχρόνο που στρεβλώνεται από τη βαρύτητα). Ή μπορείτε να αναζητήσετε καυτά σημεία στην επιφάνεια του άστρου νετρονίων που περιστρέφονται μέσα και έξω. Το ισχυρό βαρυτικό πεδίο του αστέρα νετρονίων θα τροποποιήσει τους παλμούς του φωτός από αυτά τα καυτά σημεία. Και μόλις κατανοήσετε το βαρυτικό πεδίο του άστρου, μπορείτε να ανακατασκευάσετε τη μάζα και την ακτίνα του.

Αυτές οι μετρήσεις ακτίνων Χ υποδηλώνουν ότι, παρόλο που τα αστέρια νετρονίων μπορεί να είναι βαριά, βρίσκονται στο μικρό άκρο των προβλέψεων:μόνο περίπου 20 έως 22 χιλιόμετρα πλάτος, σύμφωνα με τον Özel.

Η αποδοχή ότι τα αστέρια νετρονίων είναι και μικρά και ογκώδη «σας κλειδώνει, με την καλή έννοια», είπε ο Özel. Τα αστέρια νετρονίων γεμάτα με αλληλεπιδρώντα κουάρκ θα μοιάζουν με αυτό, είπε, ενώ τα αστέρια νετρονίων που αποτελούνται μόνο από νουκλεόνια θα έχουν μεγαλύτερες ακτίνες.

Αλλά ο Lattimer, μεταξύ άλλων κριτικών, έχει επιφυλάξεις σχετικά με τις υποθέσεις που αφορούν τις μετρήσεις ακτίνων Χ, τις οποίες αποκαλεί εσφαλμένες. Νομίζει ότι κάνουν τις ακτίνες να φαίνονται μικρότερες που πραγματικά είναι.

Και οι δύο πλευρές αναμένουν ότι σύντομα θα υπάρξει επίλυση της διαφοράς. Τον περασμένο Ιούνιο, η 11η αποστολή ανεφοδιασμού της SpaceX στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό έφερε μαζί της ένα κουτί 372 κιλών που περιείχε ένα τηλεσκόπιο ακτίνων Χ που ονομάζεται Ερευνητής Εσωτερικής Σύνθεσης Αστέρων Νετρονίων (NICER). Λαμβάνοντας τώρα δεδομένα, το NICER έχει σχεδιαστεί για να βρίσκει το μέγεθος των άστρων νετρονίων παρακολουθώντας για καυτά σημεία στην επιφάνειά τους. Το πείραμα θα πρέπει να παράγει καλύτερες μετρήσεις ακτίνας αστεριών νετρονίων, συμπεριλαμβανομένων των πάλσαρ που έχουν ήδη μετρηθεί η μάζα τους.

«Ανυπομονούμε πολύ για αυτό», είπε ο Blaschke. Μια καλά μετρημένη μάζα και ακτίνα ακόμη και για ένα αστέρι νετρονίων θα έδιωχνε πολλές πιθανές θεωρίες της εσωτερικής τους δομής, κρατώντας στο παιχνίδι μόνο εκείνες που θα μπορούσαν να παράγουν αυτόν τον συγκεκριμένο συνδυασμό μεγέθους και βάρους.

Και τώρα, επιτέλους, υπάρχει το LIGO.

Ως πρώτο πέρασμα, το σήμα που ο Read μαζεύτηκε πάνω από τον καφέ για να συζητήσει στις 17 Αυγούστου είχε υποβληθεί σε επεξεργασία σαν να επρόκειτο για συγχώνευση δύο μαύρων οπών, όχι δύο αστέρων νετρονίων. Αυτό δεν ήταν παράλογο. Τα προηγούμενα σήματα του LIGO προέρχονταν όλα από μαύρες τρύπες, οι οποίες είναι πιο ελκυστικά θηρία από υπολογιστική σκοπιά. Αλλά αυτό το σήμα αφορούσε ελαφρύτερα αντικείμενα και συνεχίστηκε για πολύ περισσότερο από τη συγχώνευση της μαύρης τρύπας. "Είναι αμέσως προφανές ότι αυτό δεν ήταν το ίδιο σύστημα στο οποίο ασκηθήκαμε", είπε ο Read.

Όταν δύο μαύρες τρύπες ενώνονται μεταξύ τους, διοχετεύουν την τροχιακή ενέργεια στον χωροχρόνο ως βαρυτικά κύματα. Αλλά στο τελευταίο δευτερόλεπτο περίπου του νέου σήματος LIGO μήκους 90 δευτερολέπτων, κάθε αντικείμενο έκανε κάτι που οι μαύρες τρύπες δεν κάνουν:Παραμορφώθηκε. Το ζευγάρι άρχισε να τεντώνεται και να συμπιέζει ο ένας την ύλη του άλλου, δημιουργώντας παλίρροιες που έκλεψαν ενέργεια από τις τροχιές τους. Αυτό τους οδήγησε σε σύγκρουση πιο γρήγορα από ό,τι θα είχαν διαφορετικά.

Μετά από λίγους ξέφρενους μήνες εκτέλεσης προσομοιώσεων υπολογιστή, η ομάδα του Read μέσα στο LIGO δημοσίευσε την πρώτη μέτρηση της επίδρασης αυτών των παλίρροιών στο σήμα. Μέχρι στιγμής, η ομάδα μπορεί να θέσει μόνο ένα ανώτερο όριο - που σημαίνει ότι οι παλίρροιες έχουν ένα αδύναμο ή ακόμα και απαρατήρητο αποτέλεσμα. Με τη σειρά του, αυτό σημαίνει ότι τα αστέρια νετρονίων είναι σωματικά μικρά, με την ύλη τους να συγκρατείται πολύ σφιχτά γύρω από τα κέντρα τους και έτσι πιο ανθεκτικά στο να τραβιέται από την παλίρροια. «Νομίζω ότι η πρώτη μέτρηση βαρυτικών κυμάτων κατά μία έννοια επιβεβαιώνει πραγματικά τα είδη των πραγμάτων που έχουν πει οι παρατηρήσεις ακτίνων Χ», είπε ο Read. Αλλά αυτή δεν είναι η τελευταία λέξη. Αναμένει ότι η πιο εξελιγμένη μοντελοποίηση του ίδιου σήματος θα δώσει μια πιο ακριβή εκτίμηση.

Με το NICER και το LIGO να προσφέρουν και τα δύο νέους τρόπους για να δούμε πράγματα με αστέρια νετρονίων, πολλοί ειδικοί είναι αισιόδοξοι ότι τα επόμενα χρόνια θα δώσουν σαφείς απαντήσεις στο ερώτημα πώς το υλικό αντέχει στη βαρύτητα. Ωστόσο, θεωρητικοί όπως ο Alford προειδοποιούν ότι η μέτρηση της στριμωγότητας της ύλης των άστρων νετρονίων από μόνη της δεν θα αποκαλύψει πλήρως τι είναι.

Ίσως άλλες υπογραφές μπορούν να πουν περισσότερα. Οι συνεχείς παρατηρήσεις του ρυθμού με τον οποίο ψύχονται τα αστέρια νετρονίων, για παράδειγμα, θα πρέπει να αφήσουν τους αστροφυσικούς να υποθέσουν σχετικά με τα σωματίδια μέσα τους και την ικανότητά τους να εκπέμπουν ενέργεια μακριά. Ή παρατηρήσεις για το πώς οι περιστροφές τους επιβραδύνονται με την πάροδο του χρόνου θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον προσδιορισμό του ιξώδους του εσωτερικού τους.

Τελικά, το να γνωρίζουμε πότε η πυκνή ύλη αλλάζει φάση και σε τι μεταβάλλεται είναι ένας αξιόλογος στόχος, υποστηρίζει ο Alford. «Η χαρτογράφηση των ιδιοτήτων της ύλης υπό διαφορετικές συνθήκες», είπε, «είναι ένα είδος είναι φυσικής.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com.