30 ноември 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Загадъчен обект може да е „странна звезда“, направена от кварки

Кварковите звезди стават реалност

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 26 октомври 2022 в 00:01 16600
Остатъкът от свръхнова HESS J1731-347 (жълто и бяло), съдържащ странно малка неутронна звезда. Кредит: Victor Doroshenko

Най-леката неутронна звезда, откривана някога, с около 0,77 пъти масата на слънцето, вече не отговаря на нашето разбиране за това как се формират тези звезди. Тя може да е изградена от екзотична материя - от странни кварки.

Откритието може да разкрие нови завладяващи подробности за това какво точно се случва, когато масивните звезди се разрушават и експлодират.

В средата на нажежен газов облак от остатък от свръхнова, на около 8000 светлинни години от нас, се намира смачканото сърце на мъртва звезда.

Наскоро бе установено, че тази неутронна звезда, останала след колапса и експлозията на свръхгигант, сега е с приблизително 77% от масата на нашето Слънце, събрана в сфера с ширина десетина километра. Това е умопомрачително плътно кълбо от материя - то е смачкано толкова плътно, че дори няма място за атоми, а само за неутрони. Но като за неутронна звезда, тя е странно лека.

Когато масивна звезда колапсира, това предизвиква експлозия, която изхвърля повечето от външните слоеве на звездата в космоса, където те образуват постоянно разширяващ се облак от горещ, нажежен газ. Сърцевината на звездата обаче се смачква под действието на последното налягане на колапса и се превръща в неутронна звезда. Според това, което се знае за тези тела, минималната остатъчна маса може да бъде около 1,17 пъти по-голяма от тази на Слънцето, свита в кълбо с ширина няколко десетки километра.

Звезди с по-висока и по-ниска маса от неутронните звезди също могат да се превърнат в плътни обекти. По-тежките звезди се превръщат в черни дупки. По-леките звезди се превръщат в бели джуджета - по-малко плътни от неутронните звезди, с горна граница на маса от 1,4 слънчеви маси, въпреки че все още са доста компактни. Това е крайната съдба на нашето собствено Слънце.

Най-малката неутронна звезда, откривана досега, се нарича PSRF0453+1559 и е около 1,174 пъти масата на нашето Слънце, точно на ръба на предсказаната граница.

Това по-ново откритие е на уж "неутронна" звезда с маса не просто по-малка, а е значително по-малка от минималната маса за неутронна звезда, предвидена от теорията. Това предполага, че или има някаква празнина в разбирането ни за тези свръхплътни обекти, или това изобщо не е неутронна звезда, а особен, невиждан досега обект, наричан като „странна“ звезда, това е термин, а не прилагателно и означава, че звездата е съставена от странни кварки. (Напомняме, че кварките по реда на масите си са: горни, долни, странни, чаровни и върховни. Те са елементарни частици, изграждащи протони, неутрони и др. Повече в "Елементарните частици")

"Нашата оценка предполага, че този обект е или най-леката известна неутронна звезда, или "странна звезда" с по-екзотично уравнение на състоянието", пишат Виктор Дорошенко от Университета в Тюбинген, Германия, и колегите му в статията си в списание Nature Astronomy.

Прецизиране на данните

Неутронната звезда, която е обект на това изследване, е в центъра на остатък от свръхнова, наречена HESS J1731-347 , за която преди това е изчислено, че се намира на повече от 10 000 светлинни години. Една от трудностите при изучаването на неутронните звезди се крие в несигурните измервания на разстоянието. Без точно разстояние е трудно да се получат точни измервания на другите характеристики на една звезда.

Неутронната звезда привлича голямо внимание, защото е сред най-ярките неутронни звезди в небето - в рентгеновите лъчи, които нашите очи не могат да видят, но телескопи като XMM-Newton могат. Но Дорошенко и колегите му наскоро забелязват втора звезда, която свети в дължините на вълните на светлината, които нашите очи могат да видят, вътре в разширяващия се облак отломки от свръхновата. Трудно е да се измери разстоянието до неутронна звезда, но новооткритата видима звезда даде на астрофизиците космически ориентир.

След като разбрали колко далеч е неутронната звезда, те могли да изчислят и нейната маса и радиус.

Използвайки данни от мисията за картографиране на звезди Gaia на Европейската космическа агенция, екип астрономи, ръководен от Дорошенко, успя да преизчисли разстоянието до HESS J1731-347 и откри, че е много по-близо, отколкото се смяташе, на около 8150 светлинни години разстояние.

По-точното определяне на разстоянието влияе върху начина, по който се интерпретира спектъра на светлината, идваща от обекта, така Дорошенко и колегите му успяват да прецизират нейния радиус до 10,4 километра, а масата й до абсолютно ниските 0,77 слънчеви маси.

Цветно рентгеново изображение на небето около изолираната неутронна звезда RX J0720.4-3125, която е централният ярък обект. Изображението е съставно от изображения, получени от инструментите EPIC на борда на XMM-Newton. Кредит: ESA

Съществуването на неутронна звезда като тази означава, че физиците трябва да обяснят как се е случило това, което означава, да преосмислят част от това, което знаят за това как свръхновите изковават малките, плътни топки неутрони, които оставят след себе си.

Това ще изисква подробни компютърни симулации, много математика и вероятно още данни от телескопи като XMM-Newton и NICER, за да се разгадаят наистина подробностите, но Дорошенко подозира, че отговорът е свързан с това колко материал свръхнова изхвърля от ядрото на звездата.

"Основната идея е, че по време на експлозията от ядрото трябва да се отстрани малко по-голяма част от масата на прародителя, отколкото обикновено", обяснява Дорошенко пред Inverse. С други думи, обяснението на тази странна неутронна звезда ще ни научи на много неща за това какво се случва с ядрото на умираща звезда непосредствено след нейния колапс.

Една от уликите може да дойде от другата звезда - видимата - която се задържа в средата на облака от космически отломки на JESS J1731-347. Звездата изглежда е "ядро на гигантска звезда, която е загубила по-голямата част от външните си слоеве", разказва Дорошенко. Това се случва понякога със звездите в много късните етапи от живота им и би направило околността около звездата и нейния съсед много прашна. Когато свръхновата е избухнала, целият този звезден прах би могъл да повлияе на физиката на експлозията по начин, който да накара колапсиралото ядро на умиращата звезда да загуби повече от обичайната си маса.

"Всичко това са само мои наивни предположения и ще е необходимо подробно моделиране на експлозията, за да се отговори дали тя има някаква връзка с реалността", отбелязва Дорошенко.

Но има и още по-странна възможност: странна кваркова звезда - това е правилното ѝ научно име, а не просто цветисто описание.

Видове кварки

СимволНазваниеЗарядМаса
българскианглийски
Първо поколение
d Долен down 1/3 ~ 5 MeV/c²
u Горен up +2/3 ~ 3 MeV/c²
Второ поколение
s Странен strange 1/3 95 ± 25 MeV/c²
c Чаровен charm (charmed) +2/3 1,8 GeV/c²
Трето поколение
b Дънен beauty (bottom) 1/3 4,5 GeV/c²
t Върховен truth (top) +2/3 171 GeV/c²

Странната звезда

Технически погледнато, всичко (с изключение на електроните) е съставено от кварки. Кварките са най-малките, най-фундаменталните частици на материята и се комбинират, за да съставят неутроните и протоните. Протоните и неутроните (и електроните) се обединяват в атоми, а ние обикновено мислим за атомите като за градивните елементи на материята. Но когато една звезда колапсира - а това се случва в мига преди експлозивната част на свръхнова - нещата се усложняват.

Когато ядрото на масивна звезда се срива под собствената си гравитация, огромното налягане притиска атомите на умиращата звезда толкова силно, че протоните и електроните се сливат в неутрони. Всички тези неутрони са притиснати толкова плътно един до друг, че нямат място да се подредят в каквато и да е структура - например купчина атомни ядра. Това е неутронна звезда, повече или по-малко.

А сега си представете още по-голямо налягане, което притиска и без това смачканата топка от неутрони. Това може да се случи, защото ядрото на умиращата звезда е толкова масивно и плътно, че продължава да се свива, дори и след като всички атоми са били смачкани в неутрони. И тук нещата стават странни и теоретичната физика става много теоретична.

Неутроните са изградени от още по-малки частици, наречени кварки, така че под това огромно налягане неутроните се разпадат на кварки.

Една стъпка по-близо до черна дупка? Хипотетичната странна звезда е резултат от екстремна гравитационна компресия, преодоляваща силното взаимодействие, което държи неутроните и протоните заедно. Кредит: Swinburne University - astronomy.swin.edu.au

Ако попитате теоретичен астрофизик какво се случва след това, той вероятно ще ви каже, че тези струпани кварки са изключително краткотрайни, затова цялата маса продължава да се свива, докато се превърне в черна дупка. Но какво става, ако това не се случи?

Според няколко съветски физици в средата на 60-те години на миналия век колапсиращата звезда може да е твърде масивна, за да се превърне в неутронна звезда, но не достатъчно масивна, за да стигне до черна дупка. Вместо това звездата може остане нещо между тях, под формата на кълбо от кварки. Така се ражда кварковата звезда - или странна звезда според конкретния вид кварк.

"Моята лична гледна точка е, че вероятно няма такова нещо като чиста кваркова звезда", отговаря Дорошенко. "Това не означава, че няма кварково ядро при определени условия, и това всъщност е отчетено в някои от разглежданите в момента уравнения на състоянието на неутронните звезди."

И според Дорошенко и колегите му малката неутронна звезда технически би могла да бъде кваркова звезда или поне неутронна звезда с кварково ядро.

Дяволът в детайлите

Досега физиците не са открили кваркова или странна звезда във Вселената, въпреки че са забелязали няколко съмнителни обекта. Все още има много спорове за това дали една странна звезда може да бъде достатъчно стабилна, за да съществува.

Повечето модели предвиждат, че ако съществува странна звезда, тя вероятно ще бъде по-плътна от неутронна звезда - с приблизително същата маса, но събрана на по-малка площ. И точно това прави неутронната звезда в центъра на остатъка от свръхнова HESS J1731-347 толкова интересна.

"За обикновените неутронни звезди би се очаквало такъв лек обект да има малко по-голям радиус", заявява Дорошенко.

С други думи, той е малък за неутронна звезда, но тази малка маса е събрана в още по-малка топка материя, така че резултатът е нещо по-леко, но и по-плътно, отколкото "би трябвало" да бъде една неутронна звезда.

"Не мисля, че този обект може да се нарече кваркова звезда, но може да има кварково ядро", ккоментира Дорошенко. "И това вероятно е още по-интересно, тъй като ни позволява да научим повече за "обикновените" неутронни звезди, които определено съществуват и които са много важни както за разбирането на звездната еволюция, така и като лаборатории за екстремна физика, които да бъдат изследвани с мисии като Strobe-X или eXTP."

От друга страна, Дорошенко бърза да отбележи, че неутронната звезда може да е просто необичайно малка неутронна звезда.

"Подчертавам обаче, че изведените маса и радиус все пак напълно съответстват на много уравнения на състоянието на неутронните звезди, т.е. това може да е неутронна звезда, дори и да е малко екстремна (и затова интересна)", отбелязва астрономът.

Как в крайна сметка астрономите ще разгадаят от какво е изградена тази лека неутронна звезда? Ще видим.

Справка: Doroshenko, V., Suleimanov, V., Pühlhofer, G. et al. A strangely light neutron star within a supernova remnant. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01800-1 

Източници:

STRANGE STAR: THIS BIZARRELY SMALL NEUTRON STAR MAY BE MADE OF QUARKS, Inverse

Lightest neutron star ever found could contain compressed quarks, New Scientist

Mysterious Object May Be a 'Strange Star' Made Out of Quarks, Scientists Say, ScienceAlert


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.