Znajdź zawartość

Kanadyjsko-amerykański zespół badawczy znalazł dowody wskazujące, że materiał znajdujący się pod powierzchnią gwiazd neutronowych może być najtwardszym materiałem we wszechświecie. M. E. Caplan, A. S. Schneider i C. J. Horowitz opisali na łamach Physical Review Letters swoje symulacje i uzyskane wyniki. Nie od dzisiaj wiadomo, że gwiazdy neutornowe charakteryzują się wyjątkowo duża gęstością. Wcześniejsze badania sugerowały, że w związku z tym, powierzchnia gwiazd neutronowych jest niezwykle wytrzymała. Teraz Caplan, Schneider i Horowitz twierdzą, że materiał położony bezpośrednio pod powierzchnią jest jeszcze twardszy niż ona sama. Astrofizycy teoretyzują, że w gwiazdach neutronowych gęsto upakowane neutrony tworzą pod powierzchnią najróżniejsze kształty. Wiele z nich nazwano „makaronem”. Teraz uczeni postanowili sprawdzić, czy materiał ten może być bardziej gęsty i twardy niż powierzchnia gwiazdy. Przeprowadzili liczne symulacje, które wykazały, że mamy tam do czynienia z najtwardszym materiałem we wszechświecie. Jest on 10 miliardów razy twardszy od stali. To jednak nie wszystko. Symulacje te dowodzą też, że gwiazdy neutronowe, poprzez swoje silne pole grawitacyjne, mogą zaburzać czasoprzestrzeń. A zaburzenia te są skutkiem nieregularnego charakteru „makaronu” wewnątrz gwiazd. Niewykluczone, że w przyszłości zaobserwujemy fale grawitacyjne wywoływane tymi zaburzeniami. « powrót do artykułu

NASA poinformowała, że odkryty w Boże Narodzenie ubiegłego roku niezwykły rozbłysk gamma został spowodowany albo eksplozją oddalonej o miliardy lat supernowej nieznanego typu, albo też niezwykłą kolizją w naszej własnej galaktyce. Agencja opublikowała właśnie dokument, opisujący obydwa możliwe wydarzenia. Rozbłyski gamma to najpotężniejsze eksplozje we wszechświecie. W ciągu kilku sekund rozbłysk emituje więcej energii niż nasze Słońce wyprodukuje w czasie całego swojego życia. „Rozbłysk bożonarodzeniowy" czyli GRB 101225A został odkryty w gwiazdozbiorze Andromedy przez Swift's Burst Alert Telescope. Ttrwał on co najmniej 28 minut, czyli niezwykle długo jak na tego typu wydarzenie. Obserwacje pozostałej po nim poświaty nie pozwoliły na dokładne określenie odległości miejsca eksplozji od Ziemi. Naukowcy pracujący pod kierunkiem Christiny Thoene z Instituto de Astrofísica de Andalucía wysunęli teorię na temat przyczyn wybuchu. Ich zdaniem mogło do niego dojść w egzotycznym układzie podwójnym, gdzie gwiazda neutronowa obiegała zwykłą gwiazdę, która weszła w etap czerwonego olbrzyma, gwałtownie zwiększając swoją objętość. Gwiazda neutronowa znalazła się wewnątrz olbrzyma i w ciągu kilkunastu miesięcy została wchłonięta przez jego jądro. To przyczyniło się do powstania czarnej dziury i pojawienia się dwóch przeciwbieżnych strumieni cząstek poruszających się niemal z prędkością światła. Powstała też niewielka supernowa. Strumienie wyemitowały promienie gamma, które zaobserwowaliśmy jako rozbłysk. Naukowcy obliczyli, że jeśli takie zdarzenie miało miejsce, to doszło do niego w odległości 5,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. W pobliżu zaobserwowano też obiekt, który może być słabo świecącą galaktyką. Jednak zdaniem Serio Campany z Osservatorio Astronomico di Brera, powyższa interpretacja nie jest jedyną możliwą. Jeśli zaobserwowany obiekt rzeczywiście jest galaktyką, dowiedziona zostanie teoria o systemie podwójnym. Jeśli jednak odkryty zostanie pulsar, teoria Thoene nie utrzyma się. Campana i jego zespół zaproponowali inne możliwe rozwiązanie. Ich zdaniem duży podobny do komety obiekt został zniszczony przez siły pływowe, a jego resztki uderzyły w gwiazdę neutronową znajdującą się w odległości zaledwie 10 000 lat świetlnych od Ziemi. W tym scenariuszu zakłada się, że obiekt, który uległ zniszczeniu, musiał mieć masę równą połowie masy planety karłowatej Ceres. Gdy jego szczątki uderzyły w gwiazdę, doszło do rozbłysku gamma. Należący do NASA Swift's Burst Alert Telescope został wystrzelony w 2004 roku. Urządzenie znacznie zwiększyło naszą wiedzę o rozbłyskach gamma. Jak pokazuje niezwykły GRB 101225A w tej materii wciąż jest bardzo wiele do odkrycia.

Dwaj profesorowie z Izraela, Ehud Nakar i Tsvi Piran, opisują z najnowszym numerze Nature wyniki swoich symulacji dotyczących kolizji gwiazd neutronowych. Zdaniem uczonych, zderzenie takich gwiazd powoduje pojawienie się cząsteczek poruszających się z prędkością od 0,1 do 0,5 prędkości światła. Ponadto, co bardziej interesujące, podczas kolizji powinny powstać mierzalne fale grawitacyjne. Istnienie fal grawitacyjnych przewidział Einstein w swojej ogólnej teorii względności. Fale takie mają być wynikiem zaginania czasoprzestrzeni. Jednak dotychczas nie udało się potwierdzić ich istnienia. Problem w tym, że, podobnie jak fale na wodzie, zanikają one w miarę oddalania się od miejsca narodzin. Zanim więc dotrą do Ziemi mogą być na tyle słabe, że nasze instrumenty ich nie rejestrują. Ponadto mogą one istnieć przez krótki czas. Nakar i Piran dowodzą jednak, że fale grawitacyjne mogą wędrować w przestrzeni kosmicznej całymi miesiącami. Obecnie w USA i Holandii powstają, niezależnie, dwa teleskopy, których celem będzie poszukiwanie fal grawitacyjnych. Izraelscy uczeni mówią jednak, że już dysponują dowodem na potwierdzenie swojej teorii. Twierdzą, że odkryte przez Jeffreya Bowera nieregularne radioźródło RT 19870422 ma wszystkie właściwości źródła fal grawitacyjnych, na jakie wskazuje przeprowadzona symulacja. Niestety, znajduje się ono zbyt daleko, by zarejestrować same fale. Dlatego też, zdaniem Izraelczyków, poszukując w przyszłości fal grawitacyjnych, będziemy musieli szukać nieodległych systemów gwiazd neutronowych.

Teleskop Chandra X-ray Obserwatory zdobył pierwszy bezpośredni dowód na istnienie materii w stanie nadciekłym w jądrze gwiazd neutronowych. Nadciekłość to niezwykły stan uzyskiwany w laboratoriach, gdzie zaobserwowano, że znajdująca się w nim materia samodzielnie podąża w górę i jest w stanie wydobyć się ze szczelnie zamkniętego pojemnika. Gwiazdy neutronowe zawierają najbardziej gęstą znaną nam materię. Jej centymetr sześcienny waży miliardy ton. Dwa niezależne zespoły badały znajdującą się 11 000 lat świetlnych od Ziemi Kasjopeę A. To supernowa pozostałość po gwieździe, której eksplozję można było obserwować z Ziemi przed około 330 laty. Uczeni, dzięki teleskopowi Chandra zauważyli gwałtowny spadek temperatury supernowej. Ochłodziła się ona o około 4% w ciągu ostatnich 10 lat, Taki spadek temperatury, chociaż wydaje się niewielki, jest w rzeczywistości zjawiskiem bardzo dramatycznym i niespodziewanym. To oznacza, że coś się dzieje z gwiazdą - mówi Dany Page z Universidad Nacional Autonoma w Meksyku. Uczeni uważają, że przyczyną zmian jest fakt, że protony tworzące jądro gwiazdy znajdują się w stanie nadciekłym. Szybkie ochładzanie się Kasjopei A, zaobserwowane dzięki Chandrze, to pierwszy bezpośredni dowód, że jądra gwiazd neutronowych są zbudowane z nadprzewodzącej materii w stanie nadciekłym - stwierdził Piotr Szternin z Instytutu Joffego w Sankt Petersburgu. Oba zespoły wykazały, że nadciekłe jądro uformowało się w ciągu ostatnich 100 lat (obserwowanych w Ziemi) i to jego istnienie prowadzi do szybkiego spadku temperatury. W ziemskich laboratoriach nadciekłą materię uzyskuje się w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Jednak we wnętrzach gwiazd neutronowych temperatura jest bliska miliardowi stopni Celsjusza. Dowiedzieliśmy się tego zresztą właśnie dzięki odkryciu w ich jądrach nadciekłej materii. Dotychczas naukowcy nie byli pewni tych temperatur. Teraz można stwierdzić, że wynoszą one od 500 milionów do niemal miliarda stopni.

Naukowcy będą mogli studiować pod mikroskopem właściwości supergęstych gwiazd neutronowych, materii z momentu Wielkiego Wybuchu, czy weryfikować założenia teorii strun oraz projektować nadprzewodniki. A to wszystko dzięki zimnemu gazowi Fermiego. Gaz Fermiego to model, tzw. idealny gaz kwantowy, nazywany czasem szóstym stanem materii. John Thomas, fizyk z Duke University, wcielił ten koncept w życie, schładzając atomy litu-6 do temperatury bliskiej zeru absolutnemu (milionowe i miliardowe części Kelvina) i chwytając je w pułapkę - milimetrowej wielkości miseczkę stworzoną przez promienie lasera. Taka próbka, poddana dodatkowo działaniu odpowiednio dobranego pola magnetycznego zyskuje wyjątkowe właściwości, wśród nich niemal całkowity brak oporu podczas przepływu. To zjawisko podobne do nadciekłości, a dzieje się tak, ponieważ atomy gazu Fermiego oddziałują ze sobą tak silnie, jak tylko to możliwe. Eksperyment ma na celu zbadanie lepkości takiego gazu. Gaz Fermiego zachowuje się w różny sposób, w zależności od temperatury. Uwalniając schłodzone do miliardowych części Kelvina atomy z laserowej pułapki i chwytając ponownie wywołuje się ich drgania, które upodabniają próbkę do trzęsącej się galaretki. Mierząc oscylacje, można określić dokładnie lepkość próbki. W nieco wyższych temperaturach, rzędu milionowych części Kelvina, uwalniany gaz zmienia kształt z „cygara" na „naleśnik", z szybkością również zależną od temperatury. W tak niskich temperaturach właściwości gazu zależą od najmniejszej naturalnej podziałki, czy „linijki" - odległości pomiędzy atomami. Rozmiar ten określa skalę dla energii, temperatury, czy lepkości właśnie. Taki egzotyczny stan materii występuje w naturze, ale nie sposób go tam badać. Na przykład gwiazdy neutronowe, poza tym, że nieosiągalne, są tak gęste, że najmniejszy okruch ważyłby setki lub tysiące ton. Interesującego kosmologów stanu materii w kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu (plazma kwarkowo-gluonowa) również nie da się bezpośrednio badać. Stworzenie w laboratorium skalowalnego modelu niektórych właściwości tych stanów pozwoli na weryfikację różnych hipotez i założeń. Po przeprowadzeniu odpowiednich wyliczeń dla niskich temperatur będzie można ocenić również niektóre założenia teorii strun. W zastosowaniach bardziej praktycznych, płynność doskonała, jaką uzyskuje stworzony gaz Fermiego, pozwoli badać oczekiwane właściwości wysokotemperaturowych nadprzewodników. O swoim eksperymencie opowiada sam John Thomas:

W nietypowej, pełnej masywnych gwiazd, gromadzie Westerlund 1, odległej o około 16 tysięcy lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Ołtarza (widocznym na półkuli południowej) odkryto magnetar, którego nie powinno tam być. Magnetar to odmiana gwiazdy neutronowej, posiadająca bardo silne pole magnetyczne i wysyłająca błyski promieniowania gamma i rentgenowskiego. Wszystkie gwiazdy neutronowe powstają, kiedy gwiazda wypali już swoje paliwo wodorowe i helowe. Bez tej energii nie potrafi już przeciwstawić się siłom grawitacji i traci stabilność. Kiedy jej płaszcz rozdyma się i eksploduje w postaci supernowej, jądro zapada się, atomy zostają zmiażdżone grawitacją, eletrony i protony zbijają się, tworząc neutrony - powstaje gwiazda neutronowa lub magnetar. Taki los czeka gwiazdy o średnicy od 8 do 20 mas naszego Słońca. Kiedy oszacowano wiek odkrytego magnetara, pojawiło się jednak zaskoczenie. Wiek można było ocenić łatwo - wszystkie gwiazdy w tej gromadzie są rówieśnikami. Długość życia gwiazdy zależy od jej masy, można więc łatwo wyliczyć masę gwiazdy przed jej śmiercią. Gwiazda, z której powstał odkryty magnetar, miała masę czterdzieści razy większą niż Słońce. Ależ to niemożliwe - okrzyknęli astronomowie. Kiedy gwiazda posiada masę równą dwudziestu - dwudziestu pięciu mas Słońca (lub oczywiście większą), jej zapadanie nie kończy się na fazie gwiazdy neutronowej. Pole grawitacyjne takiej ilości masy jest tak duże, że powstaje czarna dziura. Czemu nie powstała ona tutaj, skąd w miejsce czarnej dziury wziął się magnetar? Czy potrzeba znów zmieniać teorie na temat czarnych dziur? Dr Negueruela z University of Alicante oraz dr Ben Ritchie z Open University w swoim studium zaproponowali wyjaśnienie tej zagadki. Jak wyliczyli, supermasywna gwiazda tego rodzaju mogła uniknąć losu czarnej dziury, jeśli przed końcem życia pozbyłaby się 90% swojej masy. Jedynym znanym sposobem na to jest oddanie swojej materii towarzyszowi, jeśli gwiazda była elementem układu podwójnego, tzw. półrozdzielonego. Dostatecznie masywny towarzysz (mający mniejszy rozmiar niż sfera jego „dominacji" grawitacyjnej, czyli tzw, powierzchnia Roche'a) mógłby odebrać gwieździe wystarczającą część masy, żeby zmienić zakończenie jej żywota. Praca, zamieszczona w periodyku Astronomy and Astrophysics, zyskała uznanie za solidne poparcie wywodów obliczeniami, bez uciekania się do trudnych do weryfikacji teorii.

Grupa naukowców zaproponowała teorię, która opisuje nieznany dotychczas typ gwiazd. Uczeni nazwali je gwiazdami elektrosłabymi (electroweak star). Glenn Starkman z Case Western Reserve University, De-Chang Dai i Dejan Stojkovic ze State University of New York oraz Arthur Lue z należącego do MIT-u Lincoln Lab opisali swoją teorię w Physical Review Letters. Gwiazdy elektrosłabe miałyby powstawać z niektórych gwiazd kończących właśnie swój żywot. Obiekty te w ostatniej fazie przed zapadnięciem się w czarną dziurę lub też zamiast tego procesu miałyby przechodzić w gwiazdę elektrosłabą. Tak jak w przeciętnej gwieździe dochodzi przemiany lżejszych jąder (np. wodoru) w cięższe (np. hel), w gwieździe elektrosłabej ma dochodzić do konwersji cięższych kwarków w lżejsze leptony. Jak zauważa Starkman, taka możliwość jest przewidziana przez Model Standardowy. Zmiana kwarków w leptony jest zjawiskiem tak rzadkim, że raczej nie wydarzyła się we wszechświecie w ciągu ostatnich 10 miliardów lat. Jedynymi miejscami, gdzie zaszła, mogą być, zdaniem Starkmana, gwiazdy elektrosłabe i laboratoria zaawansowanych nieznanych nam cywilizacji. Zdaniem naukowców, niezwykle wysokie ciśnienie i temperatura, jakie panują we wnętrzu umierającej gwiazdy mogą prowadzić do zamiany kwarków w leptony. Mielibyśmy wówczas do czynienia z gwiazdą elektrosłabą. Energia tych oddziaływań może doprowadzić do zatrzymania procesu zapadania się gwiazdy. Przez jakiś czas umierająca gwiazda może istnieć właśnie jako gwiazda elektrosłaba, a następnie zapada się w czarną dziurę. W niektórych przypadkach gwiazda elektrosłaba może mieć na tyle dużo energii, że nigdy nie zapadnie się w czarną dziurę. Gwiazdy tego typu emitują przede wszystkim neutrino, dlatego też nie potrafimy ich wykryć. Jedynie niewielką część ich emisji stanowi światło. Dzięki niemu być może będziemy w stanie wykryć kiedyś gwiazdy elektrosłabe. Zanim jednak to się stanie, musimy lepiej je poznać tak, by wiedzieć, czego należy szukać. Teoretycy obliczają, że gwiazdy elektrosłabe mogą istnieć nawet przez 10 milionów lat.

Australijscy astronomowie, korzystając z radioteleskopu w Arecibo, odkryli w odległości 20 000 lat świetlnych od Ziemi pulsar oznaczony jako J1903+0327. Nie byłoby w tym nic dziwnego, gdyby nie fakt, że pulsar zachowuje się inaczej niż wszystkie inne znane nam obiekty tego typu i nie pasuje do obowiązujących teorii na temat powstawania takich gwiazd. Pulsary to pewien rzadki typ gwiazdy neutronowej. Powstają, gdy masywna gwiazda eksploduje tworząc supernową. Pulsary charakteryzują się bardzo silnym polem magnetycznym oraz idealnie okrągłą orbitą wokół towarzyszącej gwiazdy. Inną cechą charakterystyczną pulsarów jest ich regularny obrót wokół własnej osi. Zwykle pulsary obracają się kilkukrotnie w ciągu sekundy. Jednak J1903+0327 jest bardzo szybki. Wykonuje on 465 obrotów na sekundę i jest 5. najszybszym znanym pulsarem w naszej galaktyce. Astronomowie uważają, że takie szybki pulsary powstają jako zwykłe, wolniejsze. Jeśli jednak pulsarowi towarzyszy inna gwiazda, którą ten okrąża, to w pewnym momencie materia z towarzyszącej gwiazdy zaczyna przesuwać się do pulsara, powodując jego przyspieszenie. To wyjaśnia istnienie bardzo szybkich pulsarów. Z tym przesuwaniem się materii związane jest jednak jeszcze jedno zjawisko - orbita pulsaru jest niemal idealnym okręgiem. Jak zauważa jeden z odkrywców nowego pulsara, dr Champion, taki kształt orbity to jeden z najlepszych dowodów na potwierdzenie teorii o przyspieszaniu pulsara przez materię towarzyszącej gwiazdy. Jednak J1903+0327 jest zupełnie inny. Jego orbita jest eliptyczna. Rodzi się więc pytanie: W jaki sposób powstał? - mówi Champion. Astronomowie mają już kilka pomysłów, które mogą wyjaśnić tajemnicę pulsara. Jeden z nich mówi, że J1903+0327 był częścią układu składającego się z trzech gwiazd. Został przyspieszony przez jedną z dwóch pozostałych, wokół której rzeczywiście krążył po okręgu. Gwiazda ta następnie albo została "wyrzucona" z układu, albo pulsar wchłonął całą jej materię. Według innej teorii, pulsar powstał w gromadzie kulistej, został tam przyspieszony przez swojego pierwotnego towarzysza, a następnie przemieścił się. Inną niezwykłą cechą J1903+0327 jest jego duża masa. Jest on o 74% cięższy od Słońca. Jak mówi doktor Champion: Tak masywny pulsar może obalić kilka dotychczasowych teorii dotyczących stanu gęsto upakowanej materii w pulsarach.