Od objavu neutrónových hviezd výskumníci využívajú ich nezvyčajné vlastnosti na skúmanie nášho vesmíru. Ultra husté pozostatky hviezdnych výbuchov, neutrónové hviezdy zhromažďujú hmotu viac ako slnko do gule veľkosti San Francisca. Jedna šálka tohto hviezdneho materiálu môže vážiť toľko ako Mount Everest.

Tieto podivné nebeské telesá nás môžu upozorniť na vzdialené poruchy v štruktúre časopriestoru, poučiť nás o vzniku prvkov a odhaliť tajomstvá toho, ako funguje gravitácia a fyzika častíc v niektorých z najextrémnejších podmienok vo vesmíre.

„Sú v centre mnohých otvorených otázok v astronómii a astrofyzike,“ hovorí astrofyzička Vanessa Graber z Inštitútu vesmírnych vied v Barcelone.

Aby však mohli presne interpretovať niektoré signály neutrónových hviezd, výskumníci musia najprv pochopiť, čo sa v nich deje. Majú svoje tušenie, ale robiť experimenty priamo na neutrónovej hviezde neprichádza do úvahy. Vedci teda potrebujú iný spôsob, ako otestovať svoje teórie. Správanie hmoty v takom super hustom objekte je také zložité, že ani počítačové simulácie nestačia na túto úlohu. Vedci si však myslia, že možno našli riešenie: pozemský náprotivok.

Hoci mladé neutrónové hviezdy môžu mať v sebe teploty v miliónoch stupňov, neutróny sa považujú za „studené“ na jednej dôležitej energetickej škále. Fyzici si myslia, že toto je vlastnosť, ktorú môžu využiť na štúdium vnútorného fungovania neutrónových hviezd. Namiesto toho, aby sa výskumníci pozerali na oblohu, pozerajú sa na oblaky extrémne studených atómov vytvorených v laboratóriách tu na Zemi. A možno im to konečne pomôže odpovedať na niekoľko dlhotrvajúcich otázok o týchto záhadách.

vesmírna anomália

Existencia neutrónových hviezd bola prvýkrát navrhnutá v roku 1934, dva roky po existencii neutrónových hviezd Discovery Samotný neutrón, keď astronómovia Walter Bade a Fritz Zwicky rozmýšľal Ak by nebeské teleso vyrobené výlučne z neutrónov prežilo výbuch supernovy. Hoci nezískali všetky podrobnosti správne, ich všeobecná myšlienka je teraz široko akceptovaná.

Hviezdy sa posilňujú spájaním jadier ľahších atómov do jadier ťažších atómov. Keď sa však hviezdam vyčerpajú tieto ľahšie atómy, jadrová fúzia sa zastaví a už neexistuje žiadny vonkajší tlak na boj proti vnútornej sile gravitácie. Jadro sa zrúti a vonkajšia vrstva hviezdy sa zrýchli smerom dovnútra. Keď táto vrstva narazí na husté jadro, odrazí sa späť a exploduje smerom von, čím vznikne supernova. Husté jadro, ktoré potom zostane, je neutrónová hviezda.

Zwickyho a Paddyho hypotetické neutrónové hviezdy boli objavené až v 60. rokoch 20. storočia. Rádioastronómka Jocelyn Bell Burnell si všimla zvláštny, pravidelne pulzujúci rádiový signál z vesmíru, keď pracovala ako postgraduálna študentka na univerzite v Cambridge. objavovali Niečo nikdy predtým nevídanéŠpeciálny typ neutrónovej hviezdy nazývaný pulzar, ktorý pri rotácii vyžaruje lúče žiarenia v pravidelných intervaloch ako maják. (Jej poradca a riaditeľ observatória – ale nie Bill Burnell – neskôr dostal za objav Nobelovu cenu.)

Odvtedy boli objavené tisíce neutrónových hviezd. Neutrónové hviezdy, ako jedny z najhustejších a najtlakovejších objektov vo vesmíre, nám môžu pomôcť dozvedieť sa, čo sa deje s hmotou pri extrémne vysokých hustotách. Pochopenie jeho štruktúry a správania neutrónovej hmoty, ktorú tvoria, má pre fyzikov prvoradý význam.

Vedci už vedia, že neutróny, protóny a ďalšie subatomárne častice, ktoré tvoria neutrónovú hviezdu, sa usporiadajú odlišne v závislosti od toho, kde sa v hviezde nachádzajú. V určitých častiach sú zabalené tak pevne ako molekuly vody v bloku ľadu. V iných prípadoch tečie a točí sa ako tekutina bez trenia. Fyzici si však nie sú istí, kde presne dochádza k prechodu a ako sa správajú rôzne fázy hmoty.

Ultrahustá hviezda zrodená z jadrovej ohnivej gule má na prvý pohľad veľmi málo spoločného so zriedeným oblakom ultrachladených častíc. Môžu však zdieľať aspoň jednu užitočnú vlastnosť: Obidve sú pod hranicou známou ako Fermiho teplota, ktorá závisí od materiálu, z ktorého je každý systém vyrobený, a od toho sa počíta. Každý systém vysoko nad touto teplotou sa bude správať v podstate podľa zákonov klasickej fyziky; Ak by to bolo oveľa menej, jeho správanie by sa riadilo kvantovou mechanikou. hovorí Christopher Pethek, teoretický fyzik na Inštitúte Nielsa Bohra v Kodani a spoluautor prvej knihy Prehľad neutrónových hviezd Vo výročnom prehľade jadrovej vedy z roku 1975H.

Hmota pod Fermiho teplotou sa môže riadiť pozorovateľnými univerzálnymi zákonmi. Táto univerzálnosť znamená, že aj keď nemáme ľahký prístup k hmote neutrónovej hviezdy s veľkosťou niekoľkých miliónov rádov, môžeme sa dozvedieť o niektorých jej správaní experimentovaním s extrémne studenými plynmi, ktoré môžu byť vytvorené a manipulované v laboratórnych vákuových komorách na Zemi. , hovorí teoretický astrofyzik James Latimer zo Stony Brook University v New Yorku, autor knihy A Zhrnutie jadrovej vedy Vo výročnom prehľade jadrovej a časticovej vedy za rok 2012.

Pre Lattimera je obzvlášť zaujímavý teoretický stav nazývaný monatomický plyn. Plyn je jednotný, keď sa pole vplyvu každej z jeho častíc stane nekonečným, čo znamená, že sa budú navzájom ovplyvňovať bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba. V skutočnosti je nemožné to dosiahnuť, ale extrémne chladné oblaky atómov sa môžu priblížiť – a rovnako tak aj hmota vo vnútri neutrónových hviezd. „Je to podobné ako monoplyn, ale nie je to dokonalý monoplyn,“ hovorí Latimer.

na zem

Po dlhú dobu bol presný vzťah medzi tlakom plynu a hustotou príliš zložitý na to, aby sa dal presne vypočítať. Keď však experimentálni fyzici vyvinuli schopnosť ovládať a vylaďovať oblaky studených atómov, aby sa veľmi priblížili k unitárnemu plynu, otvorila sa tým nová cesta na charakterizáciu takéhoto plynu: jednoducho ho zmerajte priamo, namiesto toho, aby ste sa o plyn hádali. . Nepraktická matematika na počítači.

Tieto veľmi chladné atómové oblaky sú v skutočnosti skôr monatomickým plynom ako hmotou neutrónových hviezd, takže analógia nie je dokonalá. Ale je to dosť blízko k tomu, že Lattimer bol schopný vykonať kvázi-monochromatické merania plynov z oblakov studených atómov a aplikovať ich na neutrónovú hmotu na zlepšenie niektorých teoretických modelov, ktoré opisujú vnútorné fungovanie neutrónových hviezd. A experimenty so studenými atómami by mohli pomôcť vedcom rozvíjať teórie o tom, čo by fyzika mohla hrať v niektorých nevysvetliteľných javoch neutrónových hviezd.

Najmä Graber a ďalší vedci dúfajú, že nájdu stopy k jednej z najväčších záhad, nazývanej závady v pulzaroch. Vo všeobecnosti sú zvonkohry pravidelne časovaných pulzarových „hodín“ natoľko spoľahlivé, že ich presnosť je porovnateľná s presnosťou atómových hodín. Ale nie vždy: Niekedy sa rýchlosť otáčania pulzaru náhle zvýši, čo spôsobí poruchu. Nie je jasné, odkiaľ tento dodatočný oomph pochádza. Odpoveď spočíva v tom, ako sa táto hmota pohybuje vo vnútri neutrónovej hviezdy.

Studené plyny aj neutrónová hmota v niektorých častiach neutrónovej hviezdy sú supratekutiny – častice prúdiace bez akéhokoľvek trenia. Keď sa supratekutina točí, vznikajú drobné víry. Ako presne sa tieto víry pohybujú a interagujú medzi sebou as inými štruktúrami v rámci rotujúcej neutrónovej hviezdy je stále otvorenou otázkou. „Možno to nie je taká pekná, jednotná sieť vírov,“ hovorí Michael McNeil Forbes, ktorý študuje teoretickú fyziku na Washington State University v Pullman. „V celej hviezde môžu byť nejaké víriace víry. Nevieme.“

Forbes a ďalší majú podozrenie, že medzery, ktoré pozorovali v rotácii pulzaru, majú niečo spoločné s tým, ako sú tieto víry „ukotvené“ do štruktúr vo hviezde. Vo všeobecnosti sa jeden vír voľne kľukatí okolo kvapaliny. Ale keď tekutina obsahuje pevne zbalenú oblasť hmoty, ktorá bráni pohybu víru, vír sa zastaví a niekedy obtočí svoje slučkové ramená okolo pevného telesa a umiestni sa tak, že jeho stred je priamo nad ním.

Vortexy majú tendenciu zostať takto pripnuté, ale niekedy sa môžu uvoľniť a odísť od objektu. Keď k tomu dôjde, prúd tekutiny pôsobí na telo krútiacim momentom. Ak sa v neutrónovej hviezde naraz odlomia státisíce vírov z rôznych štruktúr, môžu náhle urýchliť rotáciu hviezdy. Forbes vysvetľuje, ako sa môže naraz odtrhnúť toľko vírov: „Ako padá piesok na hromadu piesku – v skutočnosti sa nič nestane, kým… nesfúkne lavína.“

Ale pre klasické počítače je takmer nemožné presne vypočítať všetky zložitosti tanca toľkých vírov naraz. Forbes teda plánuje spolupracovať s experimentálnymi skupinami, ktoré dokážu tieto víry tvarovať do vlastných studených atómových oblakov a uvidia, čo sa stane. Myšlienkou je použiť „experimenty so studenými atómami ako analógové kvantové počítače na výpočet vecí, ktoré by sme nemohli robiť iným spôsobom,“ hovorí.

Výskumníci sú zaneprázdnení skúmaním toho, ako by iné extrémne chladné javy, ktoré pravidelne vidia v laboratóriu, mohli inšpirovať k novým líniám výskumu správania neutrónových hviezd. Nedávno Graber a kolegovia vysvetlili Toľko možností Na to, aby to celé zverejnili, potrebujú 125 strán. V roku 2019 sa zišli desiatky astronómov, jadrových fyzikov a kryogénnych atómových fyzikov z celého sveta, aby sa zúčastnili Diskutujte o ďalších odkazoch medzi ich poliami. Výskumníci práve začínajú testovať niektoré nápady vytvorené z týchto brainstormingov.

Pethick hovorí, že sa viac učia aj od samotných hviezd. „Je to vzrušujúca oblasť, pretože v súčasnosti prichádza veľa pozorovaní.“

S lepšími teleskopmi a novými metódami na získanie vlastností o tajomnom vnútri neutrónovej hviezdy môžu vedci dúfať, že uvidia, ako ďaleko sa dá dotiahnuť táto podobnosť medzi studenými atómami a neutrónovými hviezdami.

Katie McCormick Fyzik, z ktorého sa stal vedecký spisovateľ, žije v Sacramente v Kalifornii. Vo svojom predchádzajúcom živote strávila post-doktorandské stretnutie experimentovaním s ultrachladnými atómami, ako je ten v tomto príbehu. Tento článok sa pôvodne objavil v Známy časopis, nezávislý novinársky počin z výročných prehľadov. Prihlásiť Se správy.