Gwiazdy neutronowe – najdziwniejsze obiekty w kosmosie

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Kiedy gwiazda o masie równej 20 masom Słońca umiera, zgodnie ze słowami astrofizyka Zavena Arzoumaniana staje się „najbardziej szokującym obiektem, o którym większość ludzi nigdy nie słyszała” – gwiazdą neutronową. W gwiazdach neutronowych neutrony o masie około dwóch mas Słońca są ściśnięte w obszarze wielkości miasta. Fragment gwiazdy neutronowej o rozmiarze piłeczki do pingponga ważyłby ponad miliard ton. Podejrzewamy, że w gwieździe neutronowej potężna siła grawitacji ściska ze sobą protony i elektrony, tworząc z nich neutrony.

Astronomowie nigdy nie widzieli gwiazdy neutronowej z bliska, a żadne ziemskie laboratorium nie jest w stanie wytworzyć materii o tak wielkiej gęstości. Z tych powodów struktura wewnętrzna gwiazd neutronowych stanowi jedną z największych tajemnic kosmicznych. „Gwiazdy te są zbudowane ze stabilnej materii o największej gęstości, jaką dopuszcza natura, tworząc konfigurację, której nie rozumiemy” – mówi Arzoumanian, który pracuje w należącym do NASA Goddard Space Flight Center. Są one formą materii tworzącą najsilniejsze pole grawitacyjne: gdyby zwiększyć ich masę tylko nieznacznie, stałyby się czarnymi dziurami, czyli obiektami, które zasadniczo nie są już materią, ale samą zakrzywioną przestrzenią. „Staramy się zgłębić, co dzieje się na tej granicy” – mówi Arzoumanian.

Jaka forma materii znajduje się w gwiazdach neutronowych i jakie są jej własności? Według niektórych hipotez w gwiazdach tych występują zwykłe neutrony, być może z niewielkim dodatkiem protonów. Istnieją jednak także koncepcje, zgodnie z którymi neutrony w gwiazdach neutronowych rozpadają się na unoszące się swobodnie swoje składniki – kwarki i gluony. Jest nawet możliwe, że wnętrza tych gwiazd są zbudowane z jeszcze bardziej niezwykłej materii, czyli hiperonów – cząstek, których składnikami nie są spotykane w atomach normalne kwarki górny i dolny, tylko ich ciężsi kuzyni, czyli kwarki dziwne.

Ale jak naukowcy mają odkryć prawdę, skoro nie mogą przeciąć gwiazdy i zajrzeć do jej środka? Przełom nastąpił w sierpniu 2017 roku, kiedy naziemne obserwatoria zarejestrowały fale grawitacyjne – zmarszczki czasoprzestrzeni wywołane przez przyspieszane masywne obiekty – które wyglądały jak efekt czołowego zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Fale te przyniosły informacje o masach i rozmiarach gwiazd tuż przed katastrofą. Dzięki nim uzyskano nowe ograniczenia na parametry fizyczne tych potworów, a zatem i na własności materii, z której są zbudowane. Innych wskazówek dostarcza naukowcom Badacz Budowy Wnętrza Gwiazd Neutronowych (Neutron Star Interior Composition Explorer; NICER). Eksperyment ten jest prowadzony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej od czerwca 2017 roku. NICER obserwuje pulsary, czyli bardzo szybko rotujące gwiazdy neutronowe o silnym polu magnetycznym. Wysyłają one wiązki promieniowania, które mogą trafić w Ziemię. Widzimy wówczas pulsy pojawiające się i znikające w niesamowitym tempie: najszybszy pulsar błyska ponad 700 razy na sekundę. Dzięki tym i innym obserwacjom pojawiła się wreszcie perspektywa poznania procesów zachodzących w tych dziwolągach. Jeśli naukowcom się to uda, będą w stanie zrozumieć nie tylko te kosmiczne osobliwości, ale także wyznaczyć fundamentalne ograniczenia dla materii i grawitacji.

Nadciekłe morza

Gwiazdy neutronowe powstają w trakcie wybuchów supernowych, które zachodzą, gdy gwiazdom kończy się paliwo, wskutek czego w ich jądrach ustaje produkcja energii. Nagle nic nie przeciwstawia się grawitacji, która niczym olbrzymie kleszcze ściska jądro gwiazdy (w większości zbudowane wówczas z żelaza), zaś zewnętrzne warstwy zostają wyrzucone. Grawitacja jest tak silna, że dosłownie miażdży atomy, wciskając w jądra elektrony, które łączą się z protonami, tworząc neutrony. „Żelazo z każdej strony jest ściskane o czynnik 100 000 – mówi Mark Alford, fizyk z Washington University w St. Louis. – Rozmiary atomu zmniejszają się z dziesiątych części nanometra do zaledwie kilku femtometrów i staje się on kropelką neutronów”. To tak, jakby ścisnąć całą Ziemię do rozmiaru jednego budynku. (Femtometr to milionowa część nanometra, który z kolei jest miliardową częścią metra). Kiedy kolaps gwiazdy się kończy, na każdy proton przypada około 20 neutronów. Według Jamesa Lattimera, astronoma ze Stony Brook University, przypomina ona teraz ogromne pojedyncze jądro atomowe, ale z istotną różnicą. „Jądro atomowe utrzymują w całości oddziaływania jądrowe – wyjaśnia Lattimer. – Gwiazdę neutronową utrzymuje w całości grawitacja”.

W 1934 roku astronomowie Walter Baade i Fritz Zwicky zaproponowali, że gwiazdy neutronowe mogą stanowić odpowiedź na pytanie, co pozostaje po supernowych – nazwę tę nadali niezwykle jasnym wybuchom na niebie. Brytyjski fizyk James Chadwick odkrył neutrony zaledwie dwa lata wcześniej. Początkowo wielu naukowców miało wątpliwości, czy tak skrajne obiekty mogą w ogóle istnieć. Koncepcja ta uzyskała szeroką akceptację dopiero po tym, jak Jocelyn Bell Burnell i jej koledzy odkryli pulsary w 1967 roku – a w roku następnym naukowcy stwierdzili, że muszą być one rotującymi gwiazdami neutronowymi.

Fizycy uważają, że masy gwiazd neutronowych zawierają się w przedziale z grubsza od jednej do dwóch i pół masy Słońca i zbudowane są z co najmniej trzech warstw. Warstwa zewnętrzna to wodorowo-helowa „atmosfera” grubości od kilku centymetrów do metra. Unosi się ponad grubą na kilometr zewnętrzną „skorupą”, zbudowaną ze stosunkowo zwykłych jąder atomowych tworzących sieć krystaliczną, wewnątrz której znajdują się elektrony, a czasami neutrony. Trzecia, wewnętrzna warstwa, która stanowi większość gwiazdy, jest dla nas zagadką. Jądra atomowe są w niej upakowane z maksymalną gęstością, jaką dopuszczają prawa fizyki jądrowej. Gdy przesuwamy się coraz głębiej, jądra zawierają coraz więcej neutronów. Od pewnego miejsca jądra nie mogą przyłączać już neutronów, dlatego rozpadają się: teraz nie ma już żadnych jąder, a jedynie oddzielne nukleony (czyli neutrony lub protony). W końcu i one mogą się rozpaść. „Nie wiemy, co się dzieje w hipotetycznym reżimie tak szalonych gęstości i ciśnień – mówi Alford. – Podejrzewamy, że neutrony faktycznie zostają ściśnięte do stanu, w którym zachodzą na siebie i przestają już być płynem neutronów, a stają się płynem kwarków”.

Otwartym pytaniem pozostaje forma tego płynu. Jedna z możliwości jest taka, że kwarki tworzą nadciekły płyn. Płyn taki nie ma żadnej lepkości, a kiedy zostanie wprawiony w ruch, nigdy się nie zatrzyma, jak to się dzieje ze zwykłą cieczą. Tak dziwny stan materii jest możliwy, ponieważ kwarki czują sympatię do innych kwarków, i jeśli znajdą się wystarczająco blisko siebie, tworzą „pary Coopera”. Pojedynczy kwark jest fermionem, czyli cząstką, której kwantowomechaniczna cecha zwana spinem przyjmuje wartość połówkową. Kiedy dwa kwarki tworzą parę, zachowują się razem jak pojedynczy bozon – cząstka o spinie równym zeru, jedności albo jakiejś innej liczbie całkowitej. Fermiony ogranicza zakaz Pauliego, zgodnie z którym żadne dwa identyczne fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie – ale bozony takich ograniczeń nie mają. Gdy kwarki były fermionami, musiały przyjmować wysokie stany energetyczne, aby zmieścić się w zatłoczonej gwieździe neutronowej, ale od kiedy stały się bozonami, mogą przebywać w możliwie najniższym stanie – ulubionej pozycji każdej cząstki – i nadal się gromadzić. W ten sposób pary kwarków tworzą nadciekły płyn.

Naukowcy nie mają pewności, czy w jądrze gwiazdy neutronowej znajduje się nadciekły płyn, są jednak mocno przekonani, że tak jest w przypadku jej skorupy. Dowody oparte są na obserwacjach gwałtownych przyspieszeń rotacji pulsarów. Teoretycy uważają, że przyczyną tych przyspieszeń jest brak synchronizacji prędkości rotacji całej gwiazdy z rotacją nadciekłego płynu znajdującego się w skorupie. Gwiazda jako całość musi zwalniać obroty, ale nadciekły płyn, w którym nie ma tarcia, tego nie robi. Kiedy różnica w prędkościach rotacji staje się zbyt duża, następuje przepływ momentu pędu od nadciekłego płynu do skorupy. „Przypomina to trzęsienie ziemi – mówi Lattimer. – Gwiazda czka i wyzwala energię, na krótki czas prędkość obrotów wzrasta, po czym z powrotem maleje”.

W 2011 roku Lattimer wraz z kolegami znalazł argumenty na rzecz istnienia nadciekłego płynu także w jądrze gwiazdy neutronowej, ale, jak sam przyznaje, problem nadal pozostaje otwarty. Zespół Lattimera, kierowany przez Dany’ego Page’a z Universidad Nacional Autónoma de México, przebadał 15-letnie obserwacje rentgenowskie Cassiopeia A. Jest to pozostałość po supernowej, którą zaobserwowano na Ziemi w XVII wieku. Naukowcy stwierdzili, że pulsar znajdujący się w centrum mgławicy stygnie szybciej, niż przewiduje to tradycyjna teoria. Jednym z możliwych powodów jest tworzenie się we wnętrzu gwiazdy par neutronowych, z których powstaje nadciekły płyn. Pary ulegają rozerwaniu i zmieniają swoją strukturę, emitując neutrina, dzięki czemu gwiazda traci energię i stygnie. „Nie podejrzewaliśmy, że coś takiego można zaobserwować – mówi Lattimer. – I oto mamy jedną jedyną gwiazdę, której wiek jest właściwy, żeby dało się dostrzec to zjawisko. Pewny dowód uzyskamy za jakieś 50 lat, kiedy to gwiazda powinna spowolnić proces chłodzenia, ponieważ gdy nadciekły płyn już powstanie, gwiazda nie ma żadnych innych źródeł energii do wyemitowania”.

Dziwaczne kwarki

Nadciekłe płyny to tylko jedno z egzotycznych zjawisk, jakie czają się za tajemniczymi drzwiami gwiazd neutronowych. Jest całkiem możliwe, że mieszkają w nich rzadkie kwarki „dziwne”.

Istnieje sześć rodzajów („zapachów”) kwarków: górny, dolny, powabny, dziwny, wysoki i niski. W atomach znajdują się tylko dwa najlżejsze: górny i dolny. Kwarki o pozostałych zapachach są tak masywne i niestabilne, że zazwyczaj pojawiają się tylko jako krótko żyjące śmieci w wysokoenergetycznych zderzeniach cząstek, które przeprowadza się w urządzeniach, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN pod Genewą. Ale w wyjątkowo gęstym wnętrzu gwiazd neutronowych górne i dolne kwarki znajdujące się wewnątrz neutronów mogą czasami przekształcić się w kwarki dziwne. (Inne kwarki o niezwykłych zapachach – powabny, wysoki i niski – są tak ciężkie, że zapewne nie utworzą się nawet w takim miejscu). Jeśli kwarki dziwne powstaną i pozostaną związane z innymi kwarkami, stworzą zmutowaną formę neutronów, czyli hiperony. Istnieje też możliwość, że kwarki te nie są związane w innych cząstkach, ale unoszą się swobodnie w czymś w rodzaju kwarkowej zupy.

Każdy z tych scenariuszy powinien mieć mierzalny wpływ na rozmiar gwiazd neutronowych. Zgodnie ze słowami Arzoumaniana, całe neutrony wewnątrz gwiazdy powinny zachowywać się, „jak kamienie i tworzyć twarde, sztywne jądro”. Sztywne jądro ma tendencję do odpychania warstw zewnętrznych i zwiększania rozmiaru całej gwiazdy. Jeśli jednak neutrony rozpłynęły się w bigos kwarków i gluonów, gwiazda jest mniejsza i „bardziej miękka”. Arzoumanian to jeden z głównych badaczy i naukowy szef eksperymentu NICER. Celem tego przedsięwzięcia jest sprawdzenie, która z tych możliwości jest prawdziwa: „Jedno z głównych zadań NICER polega na pomiarze mas i promieni [gwiazd neutronowych], co pozwoli na wybranie lub odrzucenie pewnych hipotez o budowie gęstej materii”.

NICER to pudło o rozmiarach pralki, które umocowano na zewnątrz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w czerwcu 2017 roku. Monitoruje ono kilkadziesiąt rozrzuconych po niebie pulsarów, rejestrując nadlatujące z nich fotony rentgenowskie. Jego Rentgenowski Instrument Pomiaru Czasu (X-ray Timing Instrument) wykorzystuje 56 detektorów o rozmiarach puszki z niezmieloną kawą do wyznaczania energii fotonów i momentów ich przybycia. Celem jest zebranie próbki pulsarów i porównanie ich mas i promieni. „Gdyby NICER wykrył gwiazdy o zbliżonej masie, ale bardzo różnych promieniach, oznaczałoby to, że dzieją się dziwne rzeczy – mówi Alford. – Mielibyśmy do czynienia z jakąś nową formą materii, która w momencie jej pojawienia się powoduje, że gwiazda się kurczy”. Taka zmiana mogłaby nastąpić na przykład wtedy, gdy neutrony rozpadają się na kwarki i gluony.

Pomiar rozmiarów gwiazd neutronowych to wygodny sposób ograniczenia możliwych form, jakie przyjmuje materia we wnętrzu gwiazdy neutronowej. Naukowcy kiedyś myśleli, że połowa neutronów w każdym takim obiekcie przekształca się w hiperony zawierające kwarki dziwne. Z modeli teoretycznych wynikało, że masa gwiazdy bogatej w hiperony nie może przekraczać 1,5 masy Słońca. Jednakże pomiar masy jednej z gwiazd neutronowych, wykonany w 2010 roku przez grupę astronomów, kierowaną przez Paula Demoresta z National Radio Astronomy Observatory, dał wynik 1,97 masy Słońca. W ten sposób wyeliminowano niektóre hipotezy dotyczące budowy wnętrza gwiazd neutronowych. Obecnie uważa się, że hiperony stanowią co najwyżej 10% gwiazdy neutronowej.

Inspektorzy miejsca zderzenia

Badania pojedynczych gwiazd neutronowych dostarczają wielu informacji, ale jeszcze więcej możemy się dowiedzieć, kiedy zderzają się dwa takie obiekty. Od wielu lat naukowcy podejrzewali, że pewne błyski promieniowania, zwane rozbłyskami gamma, są skutkiem zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Fale grawitacyjne zarejestrowane w sierpniu 2017 roku dały astronomom pierwszy ogląd zderzenia takich gwiazd.

17 sierpnia 2017 roku dwa eksperymenty – Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO) znajdujące się w Luizjanie i w stanie Waszyngton oraz usytuowany w pobliżu Pizy we Włoszech europejski projekt Virgo – jednocześnie zarejestrowały grawitacyjne zmarszczki wywołane przez dwie gwiazdy neutronowe, które spiralowały ku sobie, po czym zderzyły się, tworząc albo pojedynczą gwiazdę neutronową, albo czarną dziurę. Nie była to pierwsza detekcja fal grawitacyjnych – od września 2015 roku w tych samych eksperymentach zaobserwowano kilka innych takich zjawisk – ale wszystkie poprzednie zdarzenia były wywołane przez zderzenia dwóch czarnych dziur. Przed sierpniem 2017 roku nigdy nie wykryto fal wysłanych przez gwiazdy neutronowe. Tuż po detekcji fal grawitacyjnych skierowano teleskopy w miejsce na niebie, z którego dotarły, i zaobserwowano dochodzące z niego promieniowanie. Dzięki jednoczesnej obserwacji fal grawitacyjnych i elektromagnetycznych uzyskano mnogość informacji o tym, gdzie i jak doszło do zderzenia, które okazało się dobrodziejstwem dla fizyki gwiazd neutronowych. „Byłem całkowicie oszołomiony – mówi Lattimer. – Czekałem na konferencję prasową, która wszystko potwierdziła. Wszystko zgadzało się z naszymi wcześniejszymi wyobrażeniami. Pomyślałem, że jest to zbyt piękne, by mogło być prawdą.”

Astrofizycy stwierdzili, że fale grawitacyjne zostały wyemitowane przez parę gwiazd neutronowych odległą od Ziemi o około 130 mln lat świetlnych. Parametry tych fal – ich częstotliwość, natężenie oraz zmiana kształtu w czasie – umożliwiły ocenę ich masy oraz promieni, jakie gwiazdy miały przed zderzeniem. Wynoszą one odpowiednio około 1,4 masy Słońca i od 11 do 12 km. Uzyskana wiedza ułatwi naukowcom sformułować równanie stanu, które potrzebne jest do zrozumienia budowy gwiazd neutronowych. Takie równanie podaje wartość gęstości materii przy różnych ciśnieniach i temperaturach i powinno mieć zastosowanie dla wszystkich gwiazd neutronowych. Teoretycy opracowali wiele możliwych równań stanu odpowiadających różnym konfiguracjom materii w gwiazdach neutronowych. Dzięki nowym pomiarom pojawiła się szansa, aby niektóre z tych równań odrzucić. Dla przykładu, niespodzianką było odkrycie, że promienie gwiazd neutronowych są stosunkowo małe. Stanowi to kłopot dla niektórych teorii, w których trudno pogodzić obiekty o małych promieniach ze znanymi ciężkimi gwiazdami, takimi jak monstrum o masie 1,97 masy Słońca, używając do ich opisu tego samego równania stanu. „Wygląda to tak, jakbyśmy chcieli przepchnąć nasze równanie stanu przez ucho igielne różnych obserwacji” – mówi Jocelyn Read, astrofizyk z California State University w Fullerton, która jest jedną z kierujących zespołem Extreme Matter (Skrajne Stany Materii) związanym z LIGO. „Istnienie zwartych gwiazd, a także gwiazd masywnych, jest wyzwaniem dla teorii. To bardzo ciekawy problem, a może stać się jeszcze bardziej interesujący.”

Do tej pory LIGO i Virgo zanotowały tylko jedno zderzenie gwiazd neutronowych, ale kolejna taka obserwacja może nastąpić w każdej chwili. „Zajmuję się tą dziedziną już tak długo – mówi Read – że czymś fantastycznym jest dla mnie koniec epoki wątpliwości: ‘Gdybyśmy tylko zarejestrowali fale grawitacyjne, to moglibyśmy zrobić wiele rzeczy’. Obecnie mamy szansę to robić, a nie jesteśmy jeszcze starzy.”

Limity dla materii

Poprawa czułości detektorów fal grawitacyjnych może przynieść wielkie profity. Dla przykładu, jednym z testów sprawdzających, co znajduje się wewnątrz gwiazdy neutronowej, jest obserwacja fal grawitacyjnych emitowanych przez płyn wirujący w jej jądrze. Jeżeli płyn ten ma małą albo zerową lepkość (czego należałoby oczekiwać od nadciekłego płynu), powinien poruszać się w tak zwanym modzie r i emitować fale grawitacyjne. „Takie fale są znacznie słabsze niż w przypadku zderzenia – mówi Alford. – Tutaj materia nie ulega rozerwaniu, ale spokojnie się rozlewa”. Alford i jego współpracownicy oszacowali, że działający obecnie detektor Advanced LIGO nie jest w stanie zaobserwować tych fal, ale będzie to możliwe po dokonaniu modernizacji LIGO, a także przez planowane przyszłe obserwatoria, takie jak naziemny Teleskop Einsteina, którego budowę rozważają państwa europejskie.

Rozwiązanie zagadki gwiazd neutronowych da nam obraz materii w jej skrajnym stanie – tak odległym od tworzących nasz świat atomów, że nasza wyobraźnia ledwo może sobie z nim poradzić. Być może realne okażą się takie dziwactwa, jak rozlewająca się materia kwarkowa, nadciekłe neutrony czy osobliwe gwiazdy hiperonowe. Poznanie budowy gwiazd neutronowych może prowadzić do czegoś więcej: najdalszym celem fizyków jest wykorzystanie tych zmiażdżonych obiektów do znalezienia odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania, czym są oddziaływania jądrowe – skomplikowany taniec protonów, neutronów, kwarków i gluonów – czy rozwiązania największej tajemnicy – zrozumienia natury grawitacji.

Badania gwiazd neutronowych to tylko jeden ze sposobów zgłębiania oddziaływań jądrowych. Równolegle prowadzi się prace na rozmieszczonych na całym świecie akceleratorach cząstek, które niczym mikroskopy zaglądają do wnętrza jąder atomowych. Kiedy większość problemów jądrowych zostanie rozwiązanych, naukowcy będą mogli skoncentrować się na grawitacji. „Gwiazdy neutronowe to mieszanka fizyki grawitacyjnej i fizyki jądrowej – mówi Or Hen, fizyk z Massachusetts Institute of Technology. – Obecnie traktujemy je jako laboratorium fizyki jądrowej. Ponieważ jednak mamy dostęp do jąder tu na Ziemi, powinniśmy kiedyś rozwiązać jądrową część problemu, a wtedy będziemy używać gwiazd neutronowych do prób zrozumienia grawitacji. Jest to jedno z największych wyzwań fizyki.”

Współczesny opis grawitacji – w postaci einsteinowskiej ogólnej teorii względności – nie pasuje do teorii mechaniki kwantowej. W końcu jedna z nich musi ustąpić pola drugiej, ale fizycy nie wiedzą, która której. „Kiedyś to nastąpi – mówi Hen – i jest to fascynująca perspektywa”.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża wyselekcjonowane badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.