Kvark-lekvár, hiperonok vagy kaonok – milyen lehet egy neutroncsillag belseje?

3687

A fizikusok évtizedek óta vitatkoznak arról, hogy vajon a neutroncsillagok belseje valóban csak neutronokból áll, vagy az ott uralkodó rendkívüli viszonyok között az anyag új formái alakulnak ki. A kérdés nem csupán akadémikus, mert a szupernóvákat is jobban megérthetjük általa, illetve pontosabb képet kaphatunk a világegyetem legnehezebb elemeinek, például az aranynak a keletkezéséről.

Különféle részecskék és rétegek egy neutroncsillag belsejében. Forrás: Quanta/Maciej Rebisz.

De milyen különleges anyagfajtákat tudnak elképzelni a fizikusok a legegzotikusabb csillagok belsejében? A neutroncsillagok szupernóvák maradványai, rendkívül sűrű anyaggolyók, amelyekben nagyjából egy naptömegnyi anyag zsúfolódik össze egy nagyvárosnyi átmérőjű térrészbe. Ezek a világegyetem anyagának legsűrűbb előfordulási helyei, – „az utolsó állomás a feketelyuk-állapot előtt.” – ahogy Mark Alford, a St. Louis-i Washington University fizikusa megfogalmazza. A felszínen 1–2 cm vastagságban szokványos atomokat találunk, jobbára vasat és szilíciumot. Ennél mélyebben az atomok már annyira összezsúfolódnak, hogy elveszítik az elektronjaikat, amelyek egy kollektív „elektrontengert” hoznak létre. Még mélyebben az elektronok belepréselődnek az atommagok protonjaiba, neutronokat alkotva.

Az elméleti vita arról szól, hogy vajon mi történik a neutroncsillagok legmélyén, ott, ahol a sűrűség meghaladja az atommagok szokványos sűrűségének 2–3-szorosát. Az atommagfizika értelmében akár egészen a középpontig is állhatna az égitest neutronokból. De egyesek nem így gondolják. A nukleonok, azaz a protonok és neutronok nem elemi részecskék, hanem három kvark alkotja őket. A hatalmas nyomás alatt pedig a kvarkok új anyagállapotot hozhatnak létre. „A nukleonok nem szilárd billiárdgolyók,” – magyarázza David Blaschke, a lengyelországi Wrocław egyetemének fizikusa. – „Sokkal inkább viselkednek cseresznyék módjára. Kissé rugalmasak, de egy ponton túl szétnyomódnak.”

Ám egy ilyesféle kvark-lekvár sokak számára unalmasnak tűnik. A fizikusok különleges anyagrészecskék rétegeiről elmélkednek. A neutronok összepréselésébe fektetett energia nagyobb tömegű részecskék létrejöttére is fordítódhat. Ezek a neutronokat és protonokat felépítő szokványos u- és d-kvarkok mellett egzotikusabb s-kvarkokat is tartalmaznak. A neutronokat helyettesíthetik például hiperonok, amelyek szintén három kvarkból állnak, de van közöttük legalább egy s-kvark is. Ilyen részecskéket laboratóriumban is elő tudunk állítani, de ott szinte azonnal lebomlanak. Egy neutroncsillag mélyén viszont akár évmilliókig is stabilak maradhatnak. De az is lehetséges, hogy a neutroncsillagok belsejében olyan, két kvarkból álló részecskék vannak, amelyek egyike s-kvark. Ezek a kaonok, és feltehetőleg nagy, egybefüggő, közös kvantumállapoton osztozó kaon-kondenzátumot alkotnak odabent.

Ezek a kérdések évtizedeken át megválaszolhatatlanok voltak. Hiába álltak elő az asztrofizikusok újabb és újabb elméletekkel, a neutroncsillagok belseje annyira extrém környezet, amilyet földi laboratóriumokban képtelenség előállítani. Nehéz atommagok ütköztetésével az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet, a CERN munkatársai a részecskegyorsítójukban kvark-gluon plazmát hoznak létre. De ez az anyag messze nem olyan sűrű, ellenben nagyságrendekkel forróbb, mint ami a neutroncsillagok belsejében előfordul. A kvantum-színdinamika hiába egy jól működő elmélet a kvarkok és nukleonok leírására, ha egyszer a neutroncsillagok belsejében uralkodó viszonylag hűvös, ám sűrű környezetbeli számítások elképesztően bonyolultak, a feladat még a szuperszámítógépeink képességeit is meghaladja. Ezért a fizikusok jelentős egyszerűsítésekkel és elhanyagolásokkal kénytelenek élni.

A másik lehetőség a neutroncsillagok közvetlen tanulmányozása. Sajnos azonban ezek távoli, halvány égitestek, és még a legalapvetőbb tulajdonságaikat sem könnyű pontosan megmérni. A legérdekesebb dolgok ráadásul mélyen a felszín alatt történnek. „Kicsit olyan ez, mintha volna egy kiválóan felszerelt laboratóriumunk,” – vázol fel egy hasonlatot Alford, – „ahová azonban nem tehetjük be a lábunkat, és csak az ablakon át kiszüremlő fényt volna szabad elemeznünk.”

A csillagászok mindenesetre rafinált módszereket fejlesztettek ki a neutroncsillagok külső tulajdonságainak mind pontosabb megismerésére. A belső szerkezetre ezeknek a megfigyeléseknek az alapján következtethetünk. Bármi is alkossa a neutroncsillagok magját, annak ellen kell tudnia állni a rá nehezedő hatalmas gravitációs nyomásnak, máskülönben az anyag fekete lyukká roskadna. A különböző egzotikus anyagok azonban különböző mértékben képesek ennek az erőnek ellenállni, vagyis eltérő mértékben tömörödnek össze – az egyik szilárdabb, a másik rugalmasabb. A csillagászoknak ezért a neutroncsillagok tömegét és átmérőjét kell megmérniük.

A pulzárok a forgástengelyükhöz képest ferde mágneses tengelyű, erős mágneses terű neutroncsillagok vagy fehér törpék. A legerősebb elektromágneses sugárzás a kékkel jelölt nyalábok mentén távozik. Forrás: wikipedia/Roy Smits.

A neutroncsillagok tömegét kettős pulzárok segítségével tudják a csillagászok megmérni. A pulzárok ferde tengely mentén rádióhullámokat kibocsátó forgó neutroncsillagok, amelyek rádiónyalábja a Földről nézve periodikusan felvillan, akár csak egy világítótorony forgó fénynyalábja. A 2500 ismert pulzár mintegy tizedéről tudjuk, hogy kettős rendszer tagja. Ez a pulzár periodikus jelében észlelt időeltolódásokból mutatható ki. Az időeltolódást az elektromágneses sugárzás véges terjedési sebessége okozza, amint a neutroncsillag a pályáján keringve tőlünk hol távolabbról, hol közelebbről sugároz. Az időeltolódásnak a méréséből Kepler törvényei, valamint az általános relativitáselmélet segítségével kiszámítható a neutroncsillag tömege. Scott Ransom, a virginiai National Radio Observatory 2010-ben nagy felfedezést tett munkatársaival: találtak egy viszonylag nehéz, kb. 2 naptömegű neutroncsillagot. Ez meglepően nagy tömeg, és komoly következményei vannak a lehetséges belső szerkezetre vonatkozóan. Később további, hasonlóan nehéz neutroncsillagok felfedezése erősítette meg ezt az eredményt.

A neutroncsillag átmérőjének mérése sokkal körülményesebb. Feryal Özel, a University of Arizona asztrofizikusa különböző trükkös számításokkal, az általuk kibocsátott röntgen-sugárzás mintázatai alapján tudja megmérni a neutroncsillagok méretét. A teljes röntgenspektrum vizsgálatából megállapítható a felszíni hőmérséklet, amiből – a téridő erős görbületére korrigálva – kiszámítható az átmérő. De figyelembe lehet venni a számításokban a felszín forró foltjainak a csillag forgása miatti változásait is. Özel eredményei szerint a neutroncsillagok bár nehezek, mégis váratlanul kicsik: átmérőjük nem több 20–22 km-nél. Ez a kombináció sok lehetőséget kizár a lehetséges anyagállapotok közül. A neutroncsillagok belsejében valószínűleg nem lehet kaon-kondenzátum, de a mag nem állhat hagyományos neutronokból sem. Özel munkáját azonban egyesek fenntartásokkal kezelik. Szerintük Özel túl sok téves feltételezéssel élt számításai során.

A NICER röntgenteleszkóp a külső borítása nélkül, még a Földön. Forrás: NASA/NICER.

A vita végére az Amerikai Űrkutatási Hivatal, a NASA egy új műszere, a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén üzembehelyezett Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) nevű röntgentávcső tehet pontot. A NICER néhány hónapja már működik is, és gyűjti az adatokat. A mérések hamarosan pontosabb neutroncsillag-átmérőket szolgáltathatnak, többek közt már ismert tömegű pulzárokról. Már egyetlen neutroncsillag pontosan és hitelesen megmért tömege és átmérője számos belső szerkezetre vonatkozó lehetőséget kizárna, hiszen csak bizonyos anyagfajták tudnak adott tömeg mellett megfelelő átmérőt produkálni.

És természetesen ebbe a vitába is beleszólnak a gravitációshullám-mérések. A LIGO műszer megfigyelése a két egymás körül keringő neutroncsillag összeütközésekor keletkezett GW170817 gravitációshullám-eseményről új ablakot nyitott a szakterület kutatói számára is. A GW170817 gravitációshullám-formáját először egymásba spirálozó fekete lyukakkal próbálták leírni, ám a két égitest az utolsó másodpercekben olyat tett, amit a fekete lyukak sosem: eldeformálódtak. A két égitest gravitációjának árapály-hatása eltorzította, elnyúlttá formálta egymást. Ennek hatására az ütközés korábban következett be, mint az árapály-torzulás nélkül várták volna. Az észlelést két hónapnyi vad számítógépes szimulációfuttatás követte. Mivel a torzulás meglehetősen csekély volt, így Jocelyn Read, a LIGO együttműködő kutatója csak felső határt tudott adni annak mértékére. Ez arra utal, hogy a neutroncsillagok valóban nagyon kicsik és merevek, rendkívül erős felszíni gravitációval, ezért mindvégig jól tartották a közel gömbszimmetrikus alakjukat. Read értelmezése szerint ez alátámasztja Özel eredményeit. Ám ez Read szerint sem az utolsó szó a vitában. A GW170817 jelének pontosabb, időigényesebb modellezése is precízebb eredménnyel szolgálhat még.

A fizikusok a NICER és LIGO birtokában bizakodva tekintenek a jövőbe. De folyamatban vannak egyéb vizsgálatok is. A neutroncsillagok hűlésének és forgásuk lassulásának a vizsgálata is fontos információkkal szolgálhat az őket felépítő részecskékről és anyagtulajdonságaikról. A következő évek döntő eredményekkel szolgálhatnak a neutroncsillagok belső felépítéséről, a bennük uralkodó szélsőséges körülmények között létrejövő anyagállapotokról.

Forrás: Quanta

Hozzászólás

hozzászólás