Zgłębianie tajemnic gwiazd neutronowych z niesamowitym ziemskim odpowiednikiem – Ars Technica

Od czasu odkrycia gwiazd neutronowych naukowcy wykorzystują ich niezwykłe właściwości do badania naszego Wszechświata. Ultragęste pozostałości gwiezdnych eksplozji, gwiazdy neutronowe, gromadzą masę większą niż Słońce w kuli wielkości San Francisco. Jedna filiżanka tego gwiezdnego materiału może ważyć tyle, co Mount Everest.

Te dziwne ciała niebieskie mogą ostrzegać nas o odległych zakłóceniach w strukturze czasoprzestrzeni, uczyć nas o formowaniu się pierwiastków i odkrywać tajemnice działania grawitacji i fizyki cząstek elementarnych w najbardziej ekstremalnych warunkach we wszechświecie.

„Są w centrum wielu otwartych pytań w astronomii i astrofizyce” – mówi astrofizyk Vanessa Graber z Instytutu Nauk Kosmicznych w Barcelonie.

Ale aby dokładnie zinterpretować niektóre sygnały gwiazd neutronowych, badacze muszą najpierw zrozumieć, co się w nich dzieje. Mają swoje przeczucia, ale przeprowadzanie eksperymentów bezpośrednio na gwieździe neutronowej nie wchodzi w rachubę. Dlatego naukowcy potrzebują innego sposobu na przetestowanie swoich teorii. Zachowanie materii w tak supergęstym obiekcie jest tak złożone, że nawet symulacje komputerowe nie są w stanie sprostać temu zadaniu. Naukowcy uważają jednak, że znaleźli rozwiązanie: ziemski odpowiednik.

Chociaż młode gwiazdy neutronowe mogą mieć w sobie temperaturę rzędu milionów stopni, neutrony są uważane za „zimne” w jednej ważnej skali energetycznej. Fizycy uważają, że jest to właściwość, którą mogą wykorzystać do badania wewnętrznego działania gwiazd neutronowych. Zamiast patrzeć w niebo, badacze patrzą na chmury niezwykle zimnych atomów, które powstają w laboratoriach na Ziemi. I może w końcu pomóc im odpowiedzieć na niektóre od dawna zadawane pytania dotyczące tych tajemnic.

anomalia kosmiczna

Istnienie gwiazd neutronowych po raz pierwszy zaproponowano w 1934 roku, dwa lata po istnieniu gwiazd neutronowych Odkrycie Sam neutron, kiedy astronomowie Walter Bade i Fritz Zwicky zastanawiał się Gdyby ciało niebieskie zbudowane w całości z neutronów mogło przetrwać wybuch supernowej. Chociaż nie dopracowali wszystkich szczegółów, ich ogólny pomysł jest obecnie powszechnie akceptowany.

Gwiazdy wzmacniają się, łącząc jądra lżejszych atomów z jądrami cięższych atomów. Ale kiedy gwiazdom zabraknie tych lżejszych atomów, synteza jądrowa ustaje i nie ma już żadnego zewnętrznego nacisku, by walczyć z wewnętrzną siłą grawitacji. Jądro zapada się, a zewnętrzna warstwa gwiazdy przyspiesza do wewnątrz. Kiedy ta warstwa uderza w gęsty rdzeń, odbija się i eksploduje na zewnątrz, tworząc supernową. Gęste jądro, które pozostaje po tym, to gwiazda neutronowa.

Hipotetyczne gwiazdy neutronowe Zwicky’ego i Paddy’ego zostały odkryte dopiero w latach 60. XX wieku. Radioastronom Jocelyn Bell Burnell zauważyła dziwny, regularnie pulsujący sygnał radiowy z kosmosu, pracując jako studentka na Uniwersytecie w Cambridge. odkrywali Coś, czego nigdy wcześniej nie widzianoSpecjalny rodzaj gwiazdy neutronowej zwany pulsarem, który emituje wiązki promieniowania w regularnych odstępach czasu, gdy się obraca, jak latarnia morska. (Jej doradca i dyrektor obserwatorium — ale nie Bill Burnell — otrzymał później za to odkrycie Nagrodę Nobla).

Od tego czasu odkryto tysiące gwiazd neutronowych. Jako jedne z najgęstszych i najbardziej ciśnieniowych obiektów we wszechświecie, gwiazdy neutronowe mogą pomóc nam dowiedzieć się, co dzieje się z materią w ekstremalnie dużej gęstości. Zrozumienie jego struktury i zachowania wchodzącej w jego skład materii neutronowej ma ogromne znaczenie dla fizyków.

Naukowcy wiedzą już, że neutrony, protony i inne cząstki subatomowe tworzące gwiazdę neutronową układają się inaczej w zależności od tego, gdzie się znajdują. W niektórych sekcjach są one upakowane tak sztywno, jak cząsteczki wody w bryle lodu. W innych przypadkach płynie i wiruje jak płyn bez tarcia. Fizycy nie są jednak pewni, gdzie dokładnie zachodzi przejście i jak zachowują się różne fazy materii.

Ultragęsta gwiazda zrodzona z nuklearnej kuli ognia wydaje się mieć bardzo niewiele wspólnego z rozcieńczoną chmurą ultraschłodzonych cząstek. Ale mogą mieć wspólną przynajmniej jedną użyteczną właściwość: oba znajdują się poniżej progu znanego jako temperatura Fermiego, która zależy – i jest obliczana – z jakiego materiału jest wykonany każdy system. Każdy system znacznie powyżej tej temperatury będzie zachowywał się prawie zgodnie z prawami fizyki klasycznej; Gdyby było go znacznie mniej, jego zachowaniem rządziłaby mechanika kwantowa. mówi Christopher Pethek, fizyk teoretyczny z Instytutu Nielsa Bohra w Kopenhadze i współautor wczesnej książki pt. Przegląd gwiazd neutronowych W dorocznym przeglądzie nauk jądrowych z 1975 rH.

Materia poniżej temperatury Fermiego może podlegać obserwowalnym uniwersalnym prawom. Ta uniwersalność oznacza, że ​​chociaż nie mamy łatwego dostępu do materii gwiazd neutronowych o wielkości kilku milionów rzędów wielkości, możemy dowiedzieć się o niektórych jej zachowaniach, eksperymentując z ekstremalnie zimnymi gazami, które można wytwarzać i którymi można manipulować w laboratoryjnych komorach próżniowych na Ziemi , mówi astrofizyk teoretyczny James Latimer ze Stony Brook University w Nowym Jorku, autor książki A Podsumowanie nauki jądrowej W 2012 Annual Review of Nuclear and Particle Sciences.

Szczególnie interesujący dla Lattimera jest stan teoretyczny zwany gazem jednoatomowym. Gaz jest jednolity, gdy pole oddziaływania każdej z jego cząstek staje się nieskończone, co oznacza, że ​​będą one oddziaływać na siebie bez względu na to, jak daleko są od siebie. W rzeczywistości nie można tego uzyskać, ale bardzo zimne chmury atomów mogą się zbliżyć — podobnie jak materia wewnątrz gwiazd neutronowych. „Jest podobny do monogazu, ale nie jest to doskonały monogaz” – mówi Latimer.

W dół do ziemi

Przez długi czas dokładna zależność między ciśnieniem gazu a gęstością była zbyt skomplikowana, aby można ją było dokładnie obliczyć. Ale kiedy fizycy eksperymentalni rozwinęli zdolność kontrolowania i dostrajania chmur zimnych atomów, aby zbliżyć się bardzo, bardzo blisko do jednolitego gazu, otworzyło to nową drogę do scharakteryzowania takiego gazu: po prostu zmierz go bezpośrednio, zamiast walczyć o spór gaz. Niepraktyczna matematyka na komputerze.

Te ekstremalnie zimne obłoki atomowe są w rzeczywistości bardziej zbliżone do jednoatomowego gazu niż materii gwiazdy neutronowej, więc analogia nie jest idealna. Ale jest na tyle blisko, że Lattimer był w stanie wykonać quasi-monochromatyczne pomiary gazów z obłoków zimnych atomów i zastosować je do materii neutronowej, aby ulepszyć niektóre modele teoretyczne opisujące wewnętrzne funkcjonowanie gwiazd neutronowych. Eksperymenty z zimnymi atomami mogą pomóc naukowcom w opracowaniu teorii na temat tego, jaka fizyka może odgrywać rolę w niektórych niewyjaśnionych zjawiskach gwiazd neutronowych.

W szczególności Graber i inni naukowcy mają nadzieję znaleźć wskazówki do jednej z największych zagadek, zwanej zakłóceniami w pulsarach. Ogólnie rzecz biorąc, bicie „zegara” pulsarowego o regularnym czasie jest tak niezawodne, że ich dokładność jest porównywalna z dokładnością zegarów atomowych. Ale nie zawsze: Czasami prędkość wirowania pulsara nagle wzrasta, powodując usterkę. Nie jest jasne, skąd bierze się ten dodatkowy oomph. Odpowiedź leży w tym, jak ta materia porusza się wewnątrz gwiazdy neutronowej.

Zarówno zimne gazy, jak i materia neutronowa w niektórych częściach gwiazdy neutronowej są substancjami nadciekłymi – cząstkami płynącymi bez tarcia. Kiedy nadciecz obraca się, rozwijają się małe wiry lub wiry. Jak dokładnie te wiry poruszają się i wchodzą w interakcje ze sobą oraz z innymi strukturami w obracającej się gwieździe neutronowej, wciąż pozostaje kwestią otwartą. „Może to nie jest ta ładna, jednolita sieć wirów” – mówi Michael McNeil Forbes, który studiuje fizykę teoretyczną na Washington State University w Pullman. „W całej gwieździe mogą występować wirujące wiry. Nie wiemy.”

Forbes i inni podejrzewają, że luki, które zaobserwowali w rotacji pulsara, mają coś wspólnego z tym, jak te wiry są „zakotwiczone” w strukturach gwiazdy. Ogólnie rzecz biorąc, pojedynczy wir wije się swobodnie wokół cieczy. Ale kiedy płyn zawiera sztywno upakowany obszar materii, który utrudnia ruch wiru, wir zatrzymuje się i czasami owija ramiona wokół ciała stałego i ustawia się tak, że jego środek znajduje się bezpośrednio nad nim.

Wiry zwykle pozostają unieruchomione w ten sposób, ale czasami mogą się odpiąć i oddalić od obiektu. Kiedy tak się dzieje, przepływ płynu wywiera moment obrotowy na ciało. Jeśli setki tysięcy wirów oderwą się od różnych struktur w gwieździe neutronowej jednocześnie, mogą nagle przyspieszyć obrót gwiazdy. Forbes wyjaśnia, jak wiele wirów może zerwać się naraz: „Jak upuszczanie piasku na kupę piasku – nic się nie dzieje, dopóki… nie dostaniesz pełnej lawiny”.

Ale klasyczne komputery są prawie niemożliwe, aby dokładnie obliczyć wszystkie zawiłości tańca tak wielu wirów jednocześnie. Forbes planuje więc współpracować z grupami eksperymentalnymi, które mogą kształtować te wiry we własne chmury zimnych atomów i zobaczyć, co się stanie. Pomysł polega na wykorzystaniu „eksperymentów z zimnymi atomami jako analogowych komputerów kwantowych do obliczania rzeczy, których nie moglibyśmy zrobić w żaden inny sposób” – mówi.

Naukowcy są zajęci badaniem, w jaki sposób inne ekstremalnie zimne zjawiska, które regularnie obserwują w laboratorium, mogą zainspirować nowe kierunki badań zachowania gwiazd neutronowych. Niedawno Graber i współpracownicy wyjaśnili Tak wiele możliwości Potrzebują 125 stron, żeby to wszystko opublikować. W 2019 roku dziesiątki astronomów, fizyków jądrowych i kriogenicznych fizyków atomowych z całego świata zebrało się na Omów więcej linków przyciągających wśród swoich pól. Naukowcy dopiero zaczynają testować niektóre z pomysłów powstałych w wyniku tych burz mózgów.

Pethick mówi, że uczą się także od samych gwiazd. „To ekscytujące pole, ponieważ w tej chwili pojawia się wiele obserwacji”.

Dzięki lepszym teleskopom i nowym metodom wydobywania właściwości tajemniczego wnętrza gwiazdy neutronowej naukowcy mogą mieć nadzieję, że zobaczą, jak daleko można posunąć się z podobieństwem między zimnymi atomami a gwiazdami neutronowymi.

Katie McCormick Fizyk, który został pisarzem naukowym, mieszka w Sacramento w Kalifornii. W swoim poprzednim życiu spędziła wizytę podoktorancką, eksperymentując z ultrazimnymi atomami, takimi jak ten w tej historii. Ten artykuł pierwotnie ukazał się w Znany magazyn, niezależne przedsięwzięcie dziennikarskie z Annual Review. Zapisać się wiadomości.