Kas vyksta neutroninės žvaigždės viduje: medžiaga, kuri elgiasi taip, kaip nežinome Žemėje

Neutroninės žvaigždės dažnai minimos kartu su juodosiomis skylėmis, tačiau apie jas žinome gerokai mažiau. Tai vieni tankiausių ir ekstremaliausių objektų visatoje, kurių viduje vyksta tokie procesai, kokių neįmanoma pakartoti jokioje Žemės laboratorijoje.

Nors šie dangaus kūnai nuo mūsų nutolę šimtus ar tūkstančius šviesmečių, jų tyrimai padeda geriau suprasti ne tik žvaigždžių gyvenimo ciklą, bet ir pačios materijos prigimtį: kaip ji elgiasi esant milžiniškam slėgiui ir tankiui, kai žlunga įprastos fizikos intuicija.

Kas yra neutroninė žvaigždė ir kaip ji gimsta

Neutroninė žvaigždė yra masyvios žvaigždės gyvenimo pabaigos etapas. Kai žvaigždė, turinti kelis ar keliolika kartų didesnę masę nei Saulė, išnaudoja savo branduolinį kurą, jos šerdis pradeda griūti gravitacijos veikiama.

Per vadinamąjį supernovos sprogimą išorinis žvaigždės sluoksnis nusviedžiamas į tarpžvaigždinę erdvę, o likusi šerdis susispaudžia iki itin mažo, bet nepaprastai tankaus objekto. Jeigu masė kiek mažesnė, susidaro baltasis nykštukas, jeigu didesnė, gravitacija nugalį viską ir formuojasi juodoji skylė. Tarp šių dviejų kraštutinumų yra neutroninė žvaigždė.

Neįtikėtinas tankis ir dydžiai, kuriuos sunku įsivaizduoti

Neutroninės žvaigždės paprastai turi kiek didesnę masę nei Saulė, tačiau jų skersmuo tėra vos keliolika kilometrų. Tai reiškia, kad į erdvę, panašią į didelio miesto dydžio sferą, sutelpa medžiaga, prilygstanti keliems šimtams tūkstančių Žemės rutulių.

Dažnai sakoma, jog šaukštelis neutroninės žvaigždės medžiagos Žemėje svertų milijardus tonų. Tai ne metafora, o bandymas perteikti, kokio masto tankis čia pasiekiamas. Toks tankis lemia ir ypatingai stiprų gravitacinį lauką, nuo kurio negali pabėgti net šviesos spinduliai, stipriai išlenkiami erdvėje šalia žvaigždės.

Iš ko sudaryta neutroninės žvaigždės „pluta“

Neutroninės žvaigždės paviršiuje tvyro sąlyginai „nuosaikesnis“ pasaulis, lyginant su jos giluma. Čia aptinkama itin tanki jonizuota medžiaga: atomų branduoliai ir laisvai judantys elektronai, suspausti į kietą, kristalinę struktūrą.

Šis išorinis sluoksnis kartais lyginamas su milžinišku branduoliu, tik išdėstytu kristaliniame tinklelyje. Pluta gali būti kelių kilometrų storio ir, manoma, yra tvirtesnė už bet kokią Žemėje žinomą medžiagą. Būtent ji „laiko“ neutroninės žvaigždės magnetinį lauką ir lemia kai kuriuos stebimus reiškinius, pavyzdžiui, staigius žvaigždės sukimosi dažnio šuolius.

Vidus, kuriame atomai nustoja egzistuoti

Kuo giliau keliautume į neutroninę žvaigždę, tuo labiau keistųsi medžiagos būsena. Esant milžiniškam slėgiui atomai nebegali išlikti vientisi, nes elektronai prispaudžiami prie protonų, susidaro neutronai ir išsiskiria dalis energijos.

Žvaigždės gilumoje medžiaga tampa tarsi milžinišku neutronų „skysčiu“, kuriame likę tik pavieniai protonai, elektronai ir kitos subatominės dalelės. Tai vadinama neutronų degeneruotu duju, o būtent jo pasipriešinimas tolimesniam suspaudimui ir sustabdo visišką žvaigždės žlugimą į juodąją skylę.

Hipotezės apie pačią šerdį: kvarkų jūra ir egzotiška materija

Giliausia neutroninės žvaigždės dalis išlieka didelė paslaptis. Slėgiai čia tokie dideli, kad įprasti branduolinės fizikos modeliai tampa nepatikimi, todėl svarstoma, jog dalis neutronų gali „subyrėti“ į dar mažesnes sudėtines daleles, vadinamus kvarkus.

Tokia būsena vadinama kvarkų arba keista materija, tačiau kol kas ji lieka teorinio modeliavimo ir netiesioginių užuominų sritis. Jeigu tokia medžiaga iš tiesų egzistuoja, ji padėtų paaiškinti kai kurias neutroninių žvaigždžių savybes, pavyzdžiui, tikslų masės ir spindulio santykį arba tam tikrus spinduliavimo požymius.

Kaip žinome, kas viduje, jei ten niekada nenuskrisime

Neutroninių žvaigždžių vidaus negalime tyrinėti tiesiogiai, todėl remiamasi kelių rūšių stebėjimais ir teoriniais modeliais. Vienas svarbiausių šaltinių yra rentgeno ir gama spinduliuotės matavimai, nes būtent tokį spinduliavimą skleidžia itin karšti ir tankūs žvaigždės regionai.

Kita kryptis yra gravitacinių bangų stebėjimai. Kai dvi neutroninės žvaigždės susilieja, susidarančios gravitacinės bangos priklauso nuo to, kiek žvaigždės „deformuojasi“ dėl tarpusavio traukos. Analizuodami šią informaciją, tyrėjai gali daryti išvadas apie žvaigždžių struktūrą ir medžiagos savybes jų viduje.

Kasdienės fizikos ribos ir kodėl tai svarbu mums

Nors neutroninės žvaigždės atrodo labai nutolusios nuo kasdienio gyvenimo, jų tyrimai yra glaudžiai susiję su fundamentaliais fizikos klausimais. Bandydami suprasti, kaip medžiaga elgiasi tokiose ekstremaliose sąlygose, mokslininkai testuoja ir tikslina teorijas, kurios taikomos ir dalelių greitintuvuose, ir branduolinei energetikai, ir medžiagų mokslui.

Be to, neutroninių žvaigždžių susiliejimai laikomi viena iš pagrindinių sunkiųjų cheminių elementų, pavyzdžiui, aukso ar platinos, susidarymo vietų. Tai reiškia, kad dalis mūsų planetos ir net papuošimuose naudojamų metalų kilusi iš tokių kosminių katastrofų, įvykusių labai ankstyvoje visatos istorijoje.

Neutroninės žvaigždės kaip kosminės laboratorijos

Neutronines žvaigždes galima laikyti natūraliomis laboratorijomis, kuriose saugiai, iš tolo, regime sąlygas, neprieinamas jokiam eksperimentui Žemėje. Jas stebėdami kaupiame duomenis apie gravitaciją, magnetinius laukus, medžiagos fazes ir fundamentalias sąveikas.

Kiekvienas naujas atrastas pulsaras ar registruotas gravitacinių bangų signalas prideda dar vieną dėlionės dalį. Nors dar ilgai neturėsime pilno neutroninės žvaigždės vidaus „žemėlapio“, pamažu artėjame prie ribos, kurioje medžiagos savybes galėsime aprašyti ne vien teoriniais spėjimais, bet ir paremti tvirtais stebėjimų duomenimis.

Ko dar nežinome ir kokios kryptys laukia toliau

Artimiausiais dešimtmečiais daug vilčių siejama su nauja rentgeno observatorijų, gravitacinių bangų detektorių ir radijo teleskopų karta. Kuo tiksliau išmatuosime neutroninių žvaigždžių mases, spindulius ir sukimosi ypatybes, tuo labiau susiaurės galimų jų vidaus modelių ratas.

Galiausiai klausimas, kas iš tiesų vyksta neutroninės žvaigždės šerdyje, yra dalis platesnės mįslės apie medžiagos elgesį ekstremaliose būsenose. Atsakymus į ją greičiausiai pateiks ne vienas didelis atradimas, o ilgas mažų žingsnių kelias, kuriame kiekvienas naujas stebėjimas leis šiek tiek aiškiau įsivaizduoti šių kosminių „akmenų“ vidinį pasaulį.