Przez dziesięciolecia fizycy snuli teorie na temat istnienia egzotycznej materii wewnątrz gwiazd neutronowych – pozostałości po zapadających się gwiazdach tak gęstych, że grawitacja ściska atomy do ich podstawowych składników. Teraz nowe badania sugerują, że być może wkrótce będziemy w stanie potwierdzić istnienie tej materii, która ostatni raz istniała wkrótce po Wielkim Wybuchu, poprzez analizę subtelnych zniekształceń fal grawitacyjnych emitowanych przez łączące się gwiazdy neutronowe.
Ekstremalna fizyka gwiazd neutronowych
Gwiazdy neutronowe należą do najgęstszych obiektów we Wszechświecie. Powstają, gdy masywne gwiazdy giną w wyniku eksplozji supernowych, upakowując masę naszego Słońca w kulę mniej więcej wielkości miasta. Ta ekstremalna gęstość ściska protony i elektrony, tworząc neutrony. Jednak głębiej w tych pozostałościach gwiazd grawitacja może być tak ogromna, że nawet neutrony rozpadają się na składowe kwarki i gluony, tworząc stan materii zwany plazmą kwarkowo-gluonową.
Plazma ta jest znacząca, ponieważ jest to ten sam stan materii, który istniał w najwcześniejszych momentach Wszechświata, ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu. Znalezienie go wewnątrz gwiazd neutronowych zapewni nam wyjątkowe laboratorium do badania warunków, których na Ziemi nie da się odtworzyć inaczej niż w akceleratorach cząstek.
Jak fale grawitacyjne przechowują klucz
Kluczem do rozwiązania tej zagadki jest obserwacja podwójnych gwiazd neutronowych – par tych ciał gwiezdnych poruszających się spiralnie ku sobie. Gdy się zbliżają, ich intensywna grawitacja deformuje się nawzajem, generując zmarszczki w czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi. Naukowcy uważają obecnie, że fale te noszą ukryty ślad wewnętrznej struktury gwiazd neutronowych.
Zespół kierowany przez Nicholasa Younesa z Uniwersytetu Illinois i Abhisheka Hegade z Uniwersytetu Princeton opracował ramy teoretyczne umożliwiające rozszyfrowanie tego druku. Pomysł jest taki, że siły pływowe pomiędzy gwiazdami neutronowymi powodują wibracje wewnątrz ich jąder, przypominające bicie dzwonu. Częstotliwość tych drgań zawarta jest w falach grawitacyjnych.
Pokonywanie przeszkód teoretycznych
Jednym z głównych problemów było obliczenie energii utraconej przez same fale grawitacyjne. Fizyka Newtona zapewnia pełny zestaw modów wibracyjnych dla obiektów, ale ogólna teoria względności komplikuje sprawę. Younes i Hegade rozwiązali ten problem, traktując każdą gwiazdę neutronową indywidualnie, obliczając wpływ jej towarzyszki jako siły zewnętrznej. Odkryli, że rozkładając problem na mniejsze skale, mogliby dokładnie opisać pełny zakres modów wibracyjnych i ich wpływ na fale grawitacyjne.
„Pokazaliśmy dwie główne rzeczy” – powiedział Hegade. “Po pierwsze, byliśmy w stanie odjąć promieniowanie, ujawniając, że mody gwiazd neutronowych rzeczywiście tworzą kompletny zestaw. Po drugie, odkryliśmy, że jeśli rozwiążesz konkretny zestaw równań sekwencyjnie przy użyciu wystarczająco “gładkiego” pola pływowego, wówczas rozwiążesz wnętrze gwiazdy i możesz zrobić wszystko, co w ogólnej teorii względności można zrobić w grawitacji newtonowskiej.”
Przyszłość badań gwiazd neutronowych
Chociaż prace te mają obecnie charakter teoretyczny, następna generacja detektorów fal grawitacyjnych, takich jak te zaproponowane przez Cosmic Explorer i Einstein Telescope, może wkrótce stać się wystarczająco czuła, aby wykryć te subtelne zniekształcenia. Jeśli się powiedzie, może otworzyć okno na ekstremalną fizykę gwiazd neutronowych i dać nam wgląd w warunki, które ukształtowały wczesny Wszechświat.
Zrozumienie wewnętrznej struktury gwiazd neutronowych nie opiera się wyłącznie na podstawach fizyki. Pomaga nam to udoskonalić nasze zrozumienie grawitacji, materii o ekstremalnych gęstościach i samego pochodzenia naszego wszechświata. Najbliższe lata zapowiadają się ekscytująco dla tego obszaru.
