W gwiazdach neutronowych mniejszość rządzi większością. Te obiekty o wielkiej gęstości składają się w 95% z neutronów, a tylko w 5% protonów, jednak to protony odgrywają w nich zasadniczą rolę. Zespolenie się dwóch gwiazd neutronowych ze sobą prowadzi z kolei do wytwarzania… ogromnych ilości złota.
Gwiazdy neutronowe są pozostałościami po wybuchu supernowych, czyli wszystkiego tego, co zostało, gdy gwiazda o masie kilkudziesięciu mas naszego Słońca zakończyła spalać swoje paliwo jądrowe. Te obiekty gromadzą więcej masy niż Słońce – ok. 1,4 Słońca, na dodatek w bardzo niewielkiej objętości porównywalnej do wielkości małego miasta (10-20 kilometrów!).
Te maleńkie, odległe obiekty wzięły swoją nazwę od faktu, że są prawie w całości zbudowane z neutronów. Ale zawierają – jak już wspomniano – niewielką część (około pięciu procent) protonów. Nowe badania wskazują, że protony te mogą mieć większy wpływ na właściwości gwiazdy niż się to dotychczas wydawało, mianowicie wpływają na jej rozmiar i temperaturę. Odkrycie, opublikowane 13 sierpnia w Nature, zostało dokonane przez członków zespołu CEASF (Large Acceptance Spectrometer – CLAS), który obejmował naukowców z MIT, Uniwersytetu Tel Aviv i Old Dominion University.
Dane, z których korzystał zespół, nie pochodzą jednak z obserwacji gwiazd neutronowych. Zamiast tego pochodziły one z tworów analogicznych do gwiazd neutronowych – gęstych jąder atomowych badanych na Ziemi. Chociaż jądra atomowe nie są tak gęsto upakowane jak gwiazdy neutronowe, łatwiej je obserwować i nadal dają wgląd w mechanizm działania niektórych najbardziej ekstremalnych obiektów we wszechświecie.
Zasada mniejszości
W jaki sposób taka niewielka część materiału w tak ogromnym obiekcie może w ogóle mieć na nią jakiś wpływ? Wszystko dzięki korelacji krótkiego zasięgu. Zacznijmy od rzeczy najprostszej: w jądrze atomu znajdują się protony, neutrony i elektrony. Wszystkie te cząstki są upakowane w ograniczonej przestrzeni. Cząstki te nieustannie się poruszają – wszystko bowiem w temperaturze powyżej zera bezwzględnego porusza się, ponieważ temperatura i energia są ze sobą powiązane. Gdy się poruszają, protony i neutrony mogą wejść w kontakt i wzajemnie ze sobą oddziaływać. Proces ten nazywany jest korelacją krótkiego zasięgu i może znacząco wpływać na właściwości jądra z powodu zaangażowanej w ten proces energii.
Następnie, zamiast jądra atomu, wyobraźmy sobie gwiazdę neutronową. Wciąż jest to gęsto upakowany układ cząsteczek ograniczonych do pewnej przestrzeni, ale tym razem cząstki te to głównie neutrony z zaledwie kilkoma protonami, a przestrzeń jest znacznie większa niż jądro atomowe. Ta sama zasada nadal jednak obowiązuje – ponieważ cząstki poruszają się, protony i neutrony mogą wchodzić w kontakt i współdziałać ze sobą w korelacjach bliskiego zasięgu, tak samo jak to się dzieje w jądrze atomowym.
Ostatnim puzzlem układanki jest fakt, że w korelacjach krótkiego zasięgu protony przenoszą więcej energii niż neutrony.
Sądzimy, że kiedy mamy jądro o dużej zawartości neutronów, protony poruszają się szybciej niż neutrony, więc w pewnym sensie protony rządzą
– mówi członek zespołu z MIT w komunikacie prasowym.
Nawet jeśli protony są mniejszością w gwiazdach, uważamy, że panują tam właśnie reguły mniejszości, bowiem protony wydają się bardzo aktywne i sądzimy, że mogą one wpływać na kilka właściwości gwiazdy.
Spektrometr
Ogromny spektrometr z ciągłym przepływem elektronów w Laboratorium Thomasa Jeffersona pozwala badaczom badać interakcje między protonami i neutronami w jądrach atomowych. Źródło:
Laboratorium Jeffersona
Protony go mają
Zarówno pary proton-neutron, jak i neutron-neutron mogą wykazywać korelacje w krótkim zakresie. Aby ustalić, które pary są oddziaływań bardziej prawdopodobne w gwiazdach neutronowych – a zatem, które pary mają największą kontrolę nad ich właściwościami – naukowcy wydobyli dane z eksperymentu przeprowadzonego w CEBAF w 2004 r., Eksperyment badał atomy takich pierwiastków jak węgiel, glin, żelazo i ołów, z których każdy ma wyższy stosunek neutronów do protonów niż ostatni. W każdej próbie zespół poszukiwał oznak korelacji bliskiego zasięgu spowodowanych parowaniem neutronów i protonów.
Wraz ze wzrostem liczby neutronów w porównaniu do protonów wzrosły również szanse, że proton dokona parowania w celu korelacji na krótkim dystansie. Ale niezależnie od liczby dostępnych neutronów szanse na parowanie neutronów pozostały stałe. Oznacza to, że im więcej neutronów, tym więcej protonów może wchodzić w interakcje – więc to protony, które mają dosłownie moc gwiazd neutronowych, wpływają na ogólne właściwości obiektu, pomimo ich niewielkiej liczby.
Właściwość ta sugeruje, że w obiektach o wysokiej gęstości neutronów protony występujące w mniejszości mają nieproporcjonalnie dużą część średniej energii
– powiedział członek zespołu Eli Piasetzky z Uniwersytetu w Tel Avivie.
Prawdopodobnie trend ten rozszerza się aż do obiektów o gęstościach neutronów tak wysokich, jak te występujące właśnie w gwiazdach neutronowych.
Złoto w kosmosie
Jeśli to prawda, to co to oznacza?
Sądzimy, że połączenie się dwóch gwiazd neutronowych jest jednym z głównych procesów we wszechświecie, które wytwarzają jądra cięższe niż żelazo, takie jak złoto
– mówi Piasetzky.
Nasze badanie jąder bogatych w neutrony wskazuje, że musimy ponownie rozważyć rolę odgrywaną przez małą część protonów w gwiazdach neutronowych i jej wpływ na proces tworzenia jąder. To odkrycie może wstrząsnąć wiedzą naukowców na temat zachowania gwiazd neutronowych
– kontynuuje Hen.
Źródło, foto: Astronomy.com
