Gwiazdy neutronowe – co się dzieje w ich wnętrzu

Gwiazdy neutronowe to niezwykłe i tajemnicze obiekty. Przy promieniu około 12 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 najgęstszymi obiektami we Wszechświecie.

W ekstremalnych warunkach materia może przyjmować egzotyczne stany. Jedna z hipotez głosi, że elementy składowe jąder atomowych – protony i neutrony – przekształcają się w płytki i sznurki, podobne do makaronu, dlatego eksperci nazywają to „makaronem jądrowym”.

Naukowcy z Technische Universitat Darmstadt i Niels Bohr Institute w Kopenchadze, w najnowszym badaniu przyjęli nowe podejście teoretyczne do określenia stanu materii jądrowej w wewnętrznej skorupie gwiazd neutronowych. Wykazali, że zarówno neutrony, jak i protony mogą „kapać” z jąder atomowych i stabilizować „jądrowy makaron”. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

Gwiazdy neutronowe powstają, gdy masywne gwiazdy eksplodują w supernowej – podczas gdy zewnętrzne powłoki obiektu są wyrzucane w przestrzeń kosmiczną, jej wnętrze zapada się. Jak wskazują naukowcy, atomy są dosłownie miażdżone przez ogromną siłę grawitacji. Pomimo ich odpychania, ujemnie naładowane elektrony są dociskane tak blisko dodatnio naładowanych protonów w jądrze atomowym, że są przekształcane w neutrony.

Oddziaływanie silne (w fizyce jądrowej i fizyce cząstek, jest fundamentalnym oddziaływaniem, które ogranicza kwarki do protonów, neutronów i innych cząstek hadronowych, wiąże również neutrony i protony, tworząc jądra atomowe, gdzie nazywane jest siłą jądrową) zapobiega dalszemu zapadaniu się. W rezultacie powstaje obiekt, który składa się z około 95 proc. neutronów i 5 proc. protonów – czyli „gwiazda neutronowa”.

W najnowszym badaniu, naukowcy skupili się na skorupie tych niezwykłych obiektów. Materia w zewnętrznej części obiektu nie jest tak gęsta jak we wnętrzu i nadal znajdują się tam jądra atomowe. Jak opisują astronomowie, wraz ze wzrostem gęstości w nich, powstaje nadmiar neutronów. Mogą one następnie „kapać” z jąder – zjawisko znane jako „kapanie neutronów”. Zdaniem badaczy, jądra atomowe „pływają” zatem w swego rodzaju neutronowym „sosie”.

„Zadaliśmy sobie pytanie, czy protony również mogą kapać z jąder. Literatura nie była jednoznaczna w tej kwestii” – zaznacza fizyk Achim Schwenk, który wraz z Jonasem Kellerem i Kaiem Hebelerem z Technische Universitat Darmstadt oraz Christopherem Pethickiem z Niels Bohr Institute, obliczył stan materii jądrowej w warunkach panujących w skorupie gwiazdy neutronowej.

Naukowcy bezpośrednio obliczyli energię jako funkcję frakcji protonów. Ponadto w uwzględnili oddziaływania par między cząstkami, a także oddziaływania między trzema nukleonami. Metoda okazała się skuteczna – badacze byli w stanie wykazać, że protony w wewnętrznej skorupie również „kapią” z jąder atomowych. Badanie potwierdziło, że „kapanie protonów” rzeczywiście istnieje. Ta faza w gwiazdach neutronowych składająca się z protonów współistnieje z neutronami.

„Udało nam się również wykazać, że faza ta sprzyja zjawisku makaronu jądrowego. Im lepiej możemy opisać gwiazdy neutronowe, tym lepiej możemy je porównać z obserwacjami astrofizycznymi. Obiekty te są trudne do uchwycenia z astrofizycznego punktu widzenia. Na przykład, ich promień znamy tylko pośrednio z efektów grawitacyjnych wywieranych na inne tego typu obiekty” – podsumowuje Schwenk.

Emil Gołoś