Evrendeki en yoğun madde akan bir "okyanus" mu?
Bir nötron yıldızı, belirli bir menzil içindeki bir kütleye sahip bir yıldızın yakıtı bitip çöktükten sonra kalan son derece yoğun bir döküntüdür. Evrendeki en yoğun maddeyi içerirler (kara delikler madde kategorisinde değildir), ancak belirli bileşim her zaman çözülmemiş bir gizem olmuştur. Bilim adamları, bir nötron yıldızının içindeki yerçekiminin protonları ve elektronları nötronlara sıkıştırdığını biliyorlar, ancak bu nötronların hangi formda bulunduğunu bilmiyorlar. Viskoz olmayan bir "süperakışkan" oluşturmak için birleşiyorlar mı yoksa daha temel kuarklara ve gluonlara mı bölünüyorlar?
Güneş kütlesinin 20 katı olan bir yıldız öldüğünde, bir şehir büyüklüğünde inanılmaz derecede yoğun bir gök cismi haline gelecektir Nötron Yıldızı . NASA astrofizikçisi Zaven Arzoumanian'ın (Zaven Arzoumanian) sözleriyle, bir nötron yıldızı "çoğu insanın hiç duymadığı en tuhaf gök cismi" dir. Ping-pong topu büyüklüğünde bir nötron yıldızı malzemesi parçası bundan daha ağırdır. 1 milyar ton.
Gökbilimciler, yerçekiminin baskısı altında, nötron yıldızındaki protonların ve elektronların çoğunun nötronlarla kaynaştığına ve bu yüzden adlandırıldığına inanıyorlar. Ancak bu nihai sonuç değil: Gökbilimciler nötron yıldızlarını yakın mesafeden hiç gözlemlemediler ve yer temelli laboratuvarlar yoğunluklarına yakın malzeme üretemiyorlar, bu nedenle nötron yıldızlarının iç yapısı hala evrendeki en büyük bilmecelerden biri.
Nötron yıldızı şunları içerir: Bilinen en yerçekimi maddesi -Biraz daha fazla kütle eklediğinizde, bunlar esasen madde olmayan, uzay-zaman aşırı derecede eğimli olan kara delikler haline gelecektir. Azuma Nian, "Bu kritik durum neye benziyor?" Dedi, "Araştırdığımız sorun bu." Bu soruyu yanıtlamak için, araştırmacılar birkaç rakip teori öne sürdüler:
- Bazı teoriler, nötron yıldızlarının gerçekten de nötron , Az miktarda proton olabilir.
- Diğer teoriler, nötron yıldızlarındaki maddenin durumunun bundan daha da garip olduğunu öne sürüyor. Belki de nötron yıldızının içindeki nötronlar, daha temel parçacıklara, yani Kuarklar ve gluonlar Serbest parçacık denizinde serbestçe yüzerler.
- Bir başka olasılık da, bu gök cisimlerinin daha egzotik malzemelerden yapılmış olmasıdır. Hyperon . Hyperon, sadece "yukarı" ve "aşağı" kuarklardan (atomlardaki kuarklar) oluşan bir tür garip parçacıktır, aynı zamanda daha ağır "Garip" Kuark .
İçeride ne olduğunu görmek için bir nötron yıldızını kesemediğimiz için, bu teorilerden hangisinin doğru olduğunu belirlemenin kolay bir yolu yoktur. Yine de bilim adamları biraz ilerleme kaydetti. Ağustos 2017'de büyük bir atılım gerçekleşti. Araştırmacılar, yer deneyleri yoluyla iki nötron yıldızı arasındaki kafa kafaya çarpışmanın neden olduğu yerçekimi dalgalarını tespit ettiler. Yerçekimi dalgaları, büyük bir cisim hızlandığında oluşan uzay-zaman dalgalanmalarıdır.Bu sefer tespit edilen yerçekimi dalgaları, çarpışan iki nötron yıldızının kütlesi ve boyutu gibi önemli bilgileri taşır. Bu bilgileri kullanarak bilim adamları, nötron yıldızının doğasını ve doğasını daha da belirleyebilirler. İç bileşenler.
Haziran 2017'de Uluslararası Uzay İstasyonunda faaliyete başladı Nötron Yıldızı İç Kompozisyon Dedektörü (NICER) ayrıca bilim adamlarının ipucu toplamasına da yardımcı oluyor. NICER pulsarları, nötron yıldızlarını güçlü manyetik alanlar ve hızlı dönüş ile izler. Pulsar tarafından yayılan ışın, yıldızlararası uzayda sürekli olarak gezinecektir.Dünya, ışın tarafından taranan alandayken, 1 saniyede 700 kez yanıp sönebilen, endişe verici derecede yüksek bir frekansta "yanıp sönen" pulsar göreceğiz. defalarca. Bu deneyler sayesinde bilim insanlarının nötron yıldızının içinde ne olduğunu bulmaları bekleniyor. Bu hedefe gerçekten ulaşabilirsek, sadece bu tür tuhaf gök cisimlerini değil, aynı zamanda aşırı koşullar altındaki madde ve yerçekimini de daha iyi anlayacağız.
Süper akıntı okyanus
Bir yıldızın çekirdeğindeki yakıtı bittiğinde ve enerji üretmeyi bıraktığında, bir süpernova patlaması meydana gelebilir.Bu felaket patlamadan nötron yıldızları oluşur. Aniden, rakibin yerçekimi olmadan yıldızı bir piston gibi vuracak, dış zarfı fırlatacak ve çekirdeği ezer. Bu aşamadaki yıldızların çekirdeği esas olarak demirden oluşur. Güçlü yerçekimi atomları ezebilir ve elektronları çekirdeğe sıkıştırarak onları nötron üretmek için protonlarla kaynaştırabilir. St. Louis'deki Washington Üniversitesi'nde fizikçi olan Mark Alford, "Her yönden gelen basınç demiri 100.000 kat sıkıştırdı. Nanometrenin onda biri çapındaki atomların çapı birkaç femtometre oldu. Nötron. "Dünyayı bir blok boyutuna sıkıştırmak gibi. Yıldız çökmeyi bıraktığında İçerideki nötron sayısı protonların yaklaşık 20 katıdır.
Fizikçiler, nötron yıldızlarının kütlesinin güneşin kütlesinin yaklaşık 1 ila 2,5 katı olduğuna ve en azından Üç katmanlı yapı . En dıştaki katman hidrojen ve helyumdan oluşur Gazlı "atmosfer" , Kalınlık birkaç santimetreden birkaç metreye kadardır. Bu atmosfer tabakası yaklaşık 1 kilometre kalınlığında yüzer, Atom çekirdeğinden yapılmış bir dış "kabuk" Yukarıda. Bu katmanda, atom çekirdeği, elektronlar ve nötronlar arasına akan bir kafes yapısında düzenlenmiştir. En içteki Üçüncü katman, nötron yıldızının kütlesinin çoğunu içerir ve özel bileşimi hala bir gizemdir. Buradaki çekirdekler, neredeyse hiç boşluk kalmayacak şekilde sıkıştırılarak nükleer fiziğin izin verdiği en yüksek yoğunluğa ulaşır. Nötron yıldızının çekirdeğine ne kadar yakınsa, her çekirdekteki nötron sayısı o kadar fazla olur. Bir noktada, çekirdek daha fazla nötron tutamayacak, bu sırada nötronlar taşacak ve daha fazla çekirdek olmayacak, sadece nükleonlar (yani protonlar ve nötronlar) olacak. Sonunda, bu parçacıklar nötron yıldızının en derin kısmında da parçalanabilir.
"Anormal yüksek basınç ve yüksek yoğunluk altında bu tür malzemeyi anlamamız hala varsayım aşamasındadır." Alford, "Nötronların gerçekten ezilmiş ve birbirleriyle örtüşmüş olabileceğini düşünüyoruz, bu yüzden yapamazsınız Bir nötron sıvısı olarak düşünün, ama onu çağırmalı Kuark sıvısı . "Bu sıvının özgül formu hala kesin olmayan bir sorudur. Bir olasılık, kuarkların oluşmuş olmasıdır. "Süperakışkan" , Bu tür sıvılar viskoz değildir ve teorik olarak hareket ettikten sonra asla durmaz. Nötron yıldızlarının içindeki maddenin bu tuhaf hali mümkündür çünkü kuarklar arasındaki korelasyon, yeterince yakın olduklarında bağlı "Cooper çiftleri" oluşturmalarını mümkün kılar.
Kuarklar fermiyonlardır - spin kuantum sayıları yarı tam sayılardır. İki kuark eşlendiğinde, genel performansları Bozon -Spin bir tamsayıdır. Bu geçiş, parçacıkların yeni yasaları izleyeceği anlamına gelir. Fermiyonlar Pauli dışlama ilkesine uyar, yani iki özdeş fermiyon aynı durumu işgal edemez - ancak bozonlar o kadar sınırlı değildir. Kalabalık nötron yıldızının içinde, fermiyonlar olarak kuarklar, diğer kuarklardan daha yüksek enerji seviyelerini işgal edebilmek için daha yüksek enerjiye sahip olmak zorundadır. ancak, Bozon olduktan sonra, hepsi en düşük enerji durumunda kalabilirler. Kuark çifti bu durumda olduğunda, bir süperakışkan oluşur.
En yüksek yoğunluğa sahip çekirdek alanın dışında, nötronlar bozulmadan kalır ve ayrıca bir süperakışkan oluşturmak için eşleşebilirler. Aslında, Bilim adamları, nötron yıldızlarının kabuklarının süperakışkan içerdiğine inanıyorlar. Kanıt, pulsarların dönem atlaması ndan gelir, yani nötron yıldızlarının dönüşü bir süre için aniden hızlanır. Bir nötron yıldızının dönüşü doğal olarak yavaşlayacaktır, ancak akarken sürtünmeden etkilenmeyen süperakışkan yavaşlamayacaktır. İkisinin dönüş hızındaki fark çok büyük olduğunda, süperakışkan açısal momentumu kabuğa aktaracaktır. Stony Brook'taki New York Eyalet Üniversitesi'nden bir gökbilimci olan James Lattimer, "Deprem gibi" dedi ve "Nötron yıldızı hıçkırır ve aniden bir miktar enerji açığa çıkarır. Dönme frekansı kısa bir süre artar ve sonra düzelir. . "
2011'de Latimer ve meslektaşları, bir nötron yıldızının çekirdeğinde süper akışkan kanıtı bulduklarını iddia ettiler, ancak bunun hala tartışmalı olduğunu kabul etti. Meksika Ulusal Özerk Üniversitesi'nden Dany Page liderliğindeki Latimer'in ekibi, Cassiopeia A'nın X-ışını gözlemlerini inceledi. Bunu buldular Bulutsunun merkezindeki pulsar, geleneksel teorinin öngördüğünden daha hızlı soğuyor. Bir açıklama, nötron yıldızının içindeki bazı nötronların bir süperakışkan oluşturmak için eşleşmesidir.Nötron çifti dağıldığında ve yeniden birleştiğinde, nötrinolar yayılacak ve nötron yıldızının enerji kaybetmesine ve soğumasına neden olacaktır.
- Cassiopeia A, merkezinde bir nötron yıldızı bulunan eski bir süpernovanın kalıntılarıdır. Bu nötron yıldızının çekirdeğinin "süperakışkan" olduğuna dair işaretler var.
Garip kuark
Süperakışkan, yalnızca nötron yıldızlarının gizemli kapısının arkasına gizlenmiş bir olasılıktır. Nötron yıldızları ayrıca nadir bulunan "garip kuarklara" da ev sahipliği yapıyor olabilir. Altı tür kuark veya daha doğrusu altı çeşit vardır - yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst ve alt. Atomlarda sadece üst ve alt olmak üzere en hafif iki tat vardır. Kalan aromalar çok büyük ve kararsızdır, bu nedenle parçacık hızlandırıcılarda (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi) yüksek enerjili parçacık çarpışma deneylerinde yalnızca kısaca görünme eğilimindedirler.
Ancak aşırı yoğun bir nötron yıldızında, nötrondaki bazı üst ve alt kuarklar tuhaf kuarklara dönüşebilir. (Kalan nadir aromalar - Char, üst ve alt kuarklar, yüksek kaliteleri nedeniyle burada bile oluşmazlar). Tuhaf bir kuark ortaya çıkarsa ve diğer kuarklara bağlıysa, Nötron-hiperonun "varyantı" . Bu kuarkların başka parçacıklar oluşturmaması, ancak "kuark çorbası" içinde serbestçe dolaşması da mümkündür.
Maddenin olası her hali, nötron yıldızının boyutunu önemli ölçüde etkileyecektir. Azumani'nin sözleriyle, nötronlar "mermerler gibidir ve sert ve katı bir çekirdek oluştururlar". Katı çekirdek, nötron yıldızını büyütecek şekilde dış katmanı destekleyecektir. Öte yandan, bu nötronlar bir çömlek kuark gluon çorbası halinde ayrışırsa, "daha yumuşak, yumuşak" bir çekirdek oluşturacak ve nötron yıldızının yarıçapı küçülecektir. NICER deneyinin amacı, hangi yorumun doğru olduğunu belirlemektir. Azumanian, projenin baş araştırmacılarından biri ve bilimsel işlerden sorumlu: "NICER'in temel amaçlarından biri, nötron yıldızlarının kütlesini ve yarıçapını ölçmek, bu da yoğun maddeyle ilgili belirli teorileri seçmemize veya hariç tutmamıza yardımcı olabilir. . "
NICER, Uluslararası Uzay İstasyonu'nun dışına kurulmuş, çamaşır makinesi büyüklüğünde bir kutudur. Gökyüzündeki düzinelerce pulsarı sürekli olarak izler ve onlardan yayılan X-ışını fotonlarını tespit eder. NICER, fotonların enerjisini ve varış zamanını ve ayrıca nötron yıldızının kütleçekim alanının etkisi altındaki ışığın bükülme derecesini tespit ederek bilim adamlarının bu pulsarların kütlesini ve yarıçapını hesaplamasına ve karşılaştırmasına yardımcı olabilir.
- NICER'in çalışmasının şematik diyagramı (Fotoğraf: NASA'nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi)
Bir nötron yıldızının yarıçapını ölçmek, bir nötron yıldızının içindeki maddenin durumu hakkındaki aday teorileri etkili bir şekilde basitleştirebilir. Bilim adamları bir zamanlar bir nötron yıldızının içindeki nötronların yarısının garip kuarklar içeren hiperonlara dönüşeceğini düşünüyorlardı. Teorik hesaplamalar, bu hiperon bakımından zengin nötron yıldızının güneş kütlesinin 1,5 katını geçemeyeceğini gösteriyor. Ancak, 2010 yılında Ulusal Radyo Astronomik Gözlemevi'nden Paul Demorest liderliğindeki gökbilimciler, bir nötron yıldızının Güneş'in kütlesinin 1,97 katı olduğunu ölçtüler.Bu keşif, nötron yıldızlarının iç kısımları hakkında birçok teoriyi geçersiz kıldı. Fizikçiler şimdi nötron yıldızlarının içindeki hiperon içeriğinin% 10'u geçmeyeceğini tahmin ediyor.
Çarpışma sahnesi
Tek bir nötron yıldızını incelemek bize çok şey verir, ancak iki nötron yıldızının çarpışmasını incelemek daha değerlidir. Yıllar geçtikçe, gökbilimciler teleskoplarla gama ışını patlamaları adı verilen bazı yoğun flaş olaylarını gözlemlediler ve bu tür olayların iki nötron yıldızının çarpışmasından kaynaklandığından her zaman şüphelenmişlerdir. Ağustos 2017'de tespit edilen yerçekimi dalgaları aracılığıyla, gökbilimciler nihayet ilk vakayı gördü Nötron yıldızı birleşmesi . 17 Ağustos 2017'de, Avrupa'daki Lazer Girişimsel Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) ve Başak olmak üzere iki deney grubu, iki nötron yıldızı birbirini işlemeye başladığında ve daha sonra bir nötron yıldızı veya karadelikte birleştiğinde yerçekimsel dalgalanmaları eşzamanlı olarak tespit etti. .
Bu, bilim adamlarının yerçekimi dalgalarını ilk kez tespit etmeleri değil, ancak önceki tüm yerçekimi dalgaları iki kara deliğin çarpışmasından geldi. Sadece bu değil, bu sefer yerçekimsel dalgaları tespit ederken, bilim adamları, elektromanyetik dalgaları gökyüzünde aynı yerden gözlemlemek için teleskopları da kullandılar. Elektromanyetik dalgaların ve yerçekimi dalgalarının birleşimi, çarpışmanın yeri ve süreci hakkında büyük miktarda bilgi sağlar ve bu, nötron yıldızı fiziği çalışmasına büyük fayda sağlar. Astrofizikçiler yerçekimi dalgalarını takip ettiler ve Dünya'dan 130 milyon ışıkyılı uzaklıkta bir çift nötron yıldızı buldular. Yerçekimi dalgalarının ayrıntıları, yani frekans, yoğunluk ve zaman içindeki modellerdeki değişiklikler, araştırmacıların çarpışmadan önce iki yıldızın kütlesinin güneşin yaklaşık 1,4 katı olduğunu ve yarıçapın 11-12 kilometre olduğunu tahmin etmelerine olanak tanıyor.
Bu bilgi, bilim insanlarının nötron yıldızlarının doğasını tanımlayan anahtar bir denklem oluşturmasına yardımcı olabilir. Devlet denklemi . Bu denklem, farklı basınç ve sıcaklıklarda maddenin yoğunluğunu tanımlar ve evrendeki tüm nötron yıldızlarına uygulanabilir olmalıdır. Nötron yıldızlarının farklı iç durumlarına karşılık gelen teorisyenler, bir dizi olası durum denklemi önerdiler ve yeni gözlemler bazılarını hariç tutabilir. Örneğin, bu gözlem, nötron yıldızının yarıçapının nispeten küçük olduğunu buldu, bu oldukça şaşırtıcı. Bu kompakt nötron yıldızlarını ve bilinen büyük nötron yıldızlarını (güneş kütlesinin 1.97 katı dev gibi) aynı durum denklemini kullanarak tanımlamaya çalışırsanız, bazı teoriler takılıp kalacaktır.
Malzeme sınırı
Yerçekimi dalgası dedektörünün hassasiyeti iyileştirilebilirse, büyük bir getiri elde ederiz. Örneğin, nötron yıldızlarının durumunu test etmenin bir yolu İçeride dönen sıvının yaydığı yerçekimi dalgalarını arıyorum . Sıvının viskozitesi düşük veya sıfır ise - tıpkı bir süperakışkan gibi - r modu adı verilen özel bir yolla akacak ve yerçekimi dalgaları yayacaktır. "Bu tür bir yerçekimi dalgası, birleşmenin yaydığı yerçekimi dalgasından çok daha zayıf." Alford, "Madde parçalanmak yerine sessizce titriyor." Alford ve arkadaşları şu anda bunu belirlediler. İşletim halindeki gelişmiş LIGO dedektörleri bu tür yerçekimi dalgalarını göremez, ancak LIGO'nun gelecekteki yükseltmeleri ve Avrupa'da ele alınan yer tabanlı Einstein teleskopu gibi bazı planlanmış gözlemevleri mümkündür.
Nötron yıldızı bulmacasını çözmek, anlaşılması zor olan aşırı koşullarda maddeyi anlamamıza yardımcı olabilir. Bu tür maddeler dünyamızı oluşturan atomlardan çok farklıdır ve bilişsel sınırlarımızı genişletebilir. Sıvı çalkantılı kuark maddesi, süperakışkan nötronlar ve egzotik hiperon yıldızları gibi bazı tuhaf fikirleri gerçeğe dönüştürebilir. Dahası, nötron yıldızlarını anlamak daha büyük öneme sahiptir: fizikçilerin daha derin amacı, bu yoğun yıldızları daha önemli bilinmeyen sorunları çözmek için kullanmaktır. Örneğin, atom çekirdeklerinin etkileşimini yöneten yasalar ve fiziğin çözülmemiş en büyük gizemi - yerçekiminin doğası. Nötron yıldızları, nükleer kuvveti incelemenin sadece bir yoludur ve dünyanın dört bir yanındaki parçacık hızlandırıcılar da çekirdeğin içine mikroskop gibi bakabilen bu tür araştırmalar yapıyor.
Çoğu nükleer fizik sorunu çözüldüğünde, bilim adamları odaklarını yerçekimine çevirebilirler. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Or Hen, "Nötron yıldızları, yerçekimi fiziğinin ve nükleer fiziğin bir birleşimidir," dedi ve şöyle devam etti: "Şimdi nötron yıldızlarını nükleer fiziği incelemek için bir laboratuvar olarak kullanıyoruz. Çünkü Dünya'daki çekirdekleri kullanabiliriz, Nihayet nükleer fiziği çok derinlemesine incelemeyi umuyoruz. O zaman nötron yıldızlarını yerçekimini incelemek için kullanabiliriz ki bu aynı zamanda en zorlu fiziksel problemlerden biridir. "Mevcut yerçekimi teorimiz, Einstein'ın genel görelilik teorisidir. Kuantum mekaniği ile uyumsuzdur. Bu iki teoriden biri sonunda taviz verecek ve fizikçiler hangisinin olduğunu bilmiyorlar. "Bileceğiz," dedi Heng. "Bu beklenti heyecan verici."
Brocade | Metin: Clara Moskowitz
Tercüme: Lai Xiaoyu | Okul: Xu Renxin
Aktarım: Universal Science / huanqiukexue
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
