Tajemnice gwiazd neutronowych

W 1933 roku na zjeździe American Physical Society dwaj astronomowie – Niemiec Walter Baade i Szwajcar Fritz Zwicky (który wprowadził do nauki pojęcie ciemnej materii) – ogłosili koncepcję istnienia gwiazd neutronowych. Było to zaledwie dwa lata po tym, jak sir James Chadwick odkrył istnienie neutronów.

W 1938 roku Lew Dawidowicz Landau, rosyjski fizyk pochodzenia żydowskiego, opracował teorię powstawania gwiazd neutronowych potwierdzoną rok później przez wspomnianych astronomów. Baade i Zwicky zasugerowali, że w procesie powstawania supernowej masa gwiazdy jest w znacznym stopniu unicestwiana, a to, co pozostaje, zapada się do niewielkiego obiektu, który jest zbyt mały i słaby, aby można było go wykryć. Stąd też gwiazdy neutronowe potraktowano jedynie jako mało istotną fanaberię natury.

Dopiero w listopadzie 1967 r. florencki astrofizyk Franco Pacini zwrócił uwagę, że gwiazdy neutronowe wirują, a tym samym wytwarzają duże pola magnetyczne. W takim razie powinny też emitować fale elektromagnetyczne. Pacini zwrócił uwagę, że dwa lata wcześniej Antony Hewish i Samuel Okoye odkryli „niezwykłe źródło wysokiej jasności radiowej w mgławicy Kraba".

Pieśń pulsara

Wszystko wskazywało, że źródłem tym była wirująca gwiazda neutronowa, która powstała w wyniku wybuchu wielkiej supernowej zaobserwowanej i opisanej w 1054 roku przez chińskich oraz arabskich astronomów. Był to pierwszy namacalny dowód istnienia pulsara, a więc silnie zmagnetyzowanej i niezwykle szybko obracającej się wokół własnej osi gwiazdy neutronowej.

Od tego czasu odkryto istnienie co najmniej dziesięciu takich obiektów. W zeszłym miesiącu astronomowie poinformowali, że na podstawie obserwacji nowo odkrytego połączenia się dwóch gwiazd neutronowych GW170817 opracowano nową metodę określania stałej Hubble'a i rozwiązywania rozbieżności z wcześniej stosowanymi metodami obserwacyjnymi dotyczącymi rozszerzania się wszechświata. Mówiąc najbardziej skrótowo, ta stała Hubble'a pozwala na oszacowanie odległości do kilkudziesięciu bardzo dalekich gromad galaktyk położonych od 1 do 10 mld mld lat świetlnych od ziemi z uwzględnieniem ich nieustannej ucieczki od siebie.

Jak zobaczyć gwiazdę neutronową?

Z punktu widzenia teoretycznego naukowcy znają mechanizm powstawania gwiazd neutronowych już od 80 lat. Do niedawna nikt tych obiektów nie miał okazji bezpośrednio zaobserwować. Jednak trzy lata temu międzynarodowy zespół naukowy pod kierownictwem Roberto Mignaniego z Narodowego Instytutu Astrofizyki w Mediolanie przeprowadził obserwację odległej o 400 lat świetlnych gwiazdy neutronowej RX J1856.5-3754 za pomocą Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) w Chile. Badacze wykorzystali zjawisko polaryzacji światła emitowanej przez tak gęsty obiekt jak gwiazda neutronowa. Przestrzeń wokół takiej gwiazdy podlega efektowi kwantowemu, który nazywa się dwójłomnością próżni. Powierzchnia gwiazdy neutronowej emituje głównie promieniowanie rentgenowskie i tylko niewielkie ilości światła widzialnego, przez co nie możemy takiej gwiazdy zaobserwować bezpośrednio.

Latem 2017 roku detektor LIGO przez 100 sekund rejestrował fale grawitacyjne wywołane zderzeniem się dwóch zdegenerowanych gwiazd neutronowych. Jest to zjawisko nazywane kilonową (może też dotyczyć zderzenia gwiazdy neutronowej z czarną dziurą).

Wiedząc o tej detekcji fal grawitacyjnych, porównano zdjęcia tego obszaru kosmosu z 28 sierpnia 2017 roku wykonane przez teleskop Hubble'a, kiedy na obserwowanym obszarze nie było żadnego obiektu, i 17 sierpnia 2017 r., kiedy 1-metrowy teleskop Swope w obserwatorium Las Campanas w Chile zarejestrował światło z eksplozji kilonowej, będący przypuszczalnie nową gwiazdą neutronową.

Płynne jądra

Nic we wszechświecie nie jest tak gęste jak materia tworząca gwiazdy neutronowe. Nawet osoby obdarzone wyjątkową wyobraźnią nie są w stanie wyobrazić sobie gęstości tej materii i siły grawitacji tam panującej. Dość powiedzieć, że atomy są tak ściśnięte, jakby cała ziemia miała zostać wepchnięta do jednego budynku. W takim miejscu nawet wiązania silne jądrowe zastępuje grawitacja.

Co to oznacza? Kiedy gwiazda o masie od 2 do 2,5 masy Słońca wyczerpie cały swój zapas wodoru, zaczyna się zapadać. Grawitacja jest tak silna, że pod jej wpływem protony i elektrony łączą się, tworząc neutrony. Niegdyś olbrzymia gwiazda zapada się do gęstości, w której owe neutrony w jądrze takiej gwiazdy prawdopodobnie tworzą nadciekły płyn lub nadal są dalej miażdżone, aż rozpadają się na kwarki i gluony. Co ciekawe, płyn taki wcale nie jest lepki. Niektórzy naukowcy uważają, że wprawiony w ruch nigdy się nie zatrzyma. Kwarki, z których się składa, zaczynają bowiem do siebie przylegać i tworzyć połączenia nazywane „parami Coopera". Niektórzy naukowcy uważają, że takie pary jak „szalone" biorą się do rozpraszania energii, która teoretycznie może nigdy się nie skończyć.

Badania zespołu badawczego profesora Jamesa Lattimera ze Stony Brook University potwierdzają, że kwarki, tworząc parę, zaczynają się zachowywać jak pojedynczy bozon. W tej postaci nie muszą jednak przyjmować wysokich stanów energetycznych i mogą się gromadzić w gęstej zatłoczonej gwieździe, spokojnie tworząc nadciekły płyn w jej jądrze.

Kosmos

Pozostało 85% artykułu

2 / 3

artykułów

Czytaj dalej. Subskrybuj