Gwiazdy neutronowe (należą do nich również pulsary) to gwiezdni dziadziusie - końcowe stadium ewolucji dużych gwiazd. Trzeba jednak przyznać, że to staruszkowie o bogatym życiu wewnętrznym. Przykładowa gwiazda neutronowa, choć ma masę dwóch Słońc, to jest niezwykle skupiona: ściśnięta jest do kuli o promieniu 10 km, a więc mniej niż Warszawa. Panują tam ekstremalnie wysokie ciśnienia: tak, jakby w pudełku od zapałek zmieścić 3 miliardy 2-tonowych samochodów (więcej niż wszystkich na świecie). Temperatura wynosi tam miliard stopni Celsjusza, a gwiazda potrafi się obracać 30 razy w ciągu sekundy.

ZUPA Z NEUTRONÓW

Zewnętrzna skorupa gwiazdy ma strukturę krystaliczną. Im jednak głębiej, tym dziwniejsze rzeczy się dzieją: w ekstremalnych ciśnieniach neutrony, z których są zbudowane atomy tworzące gwiazdę, "wyciekają" z jąder i tworzą w sercu gwiazdy nadciekły jednorodny płyn neutronowy.

Najtrudniejszy do zasymulowania jest etap przejściowy pomiędzy zewnętrzną skorupą a jednorodną częścią gwiazdy neutronowej. Dr Daniel Pęcak z Instytutu Fizyki PAN porównuje w rozmowie z PAP, że to jakby kryształ utworzony z jąder atomowych zanurzony w zupie nadciekłych neutronów. I to właśnie kwantowego opisu tego układu fizycznego podjął się jego zespół. Wyniki ukazały się w Physical Review X. 

NEUTRONY WYCIEKAJĄ Z JĄDER ATOMU

Badacz tłumaczy, że protony, które są dodatnio naładowane, odpychają się. W dużych ciśnieniach mają dość: łączą się z elektronami w neutralne elektrycznie neutrony. Powstają więc bardzo egzotyczne izotopy "napakowane" neutronami. Taki "nadurodzaj" neutronów w sercu gwiazdy sprawia, że faktycznie zasługują one na miano "neutronowych". W pewnym momencie dołożenie kolejnego neutronu do jądra atomowego to już zbyt wiele - przestaje być on związany z jądrem, wycieka w przestrzeń pomiędzy jądrami i tworzy nadciekły komponent. W wewnętrznej skorupie gwiazdy neutronowej jest taka dziwna kwantowa mieszanka egzotycznych jąder w krystalicznej postaci i nadciekłych neutronów.

"Aby zrozumieć dynamikę jeziora, nie wystarczy wiedzieć, co się dzieje w kropelce wody" - mówi dr Pęcak. I porównuje jądra atomowe do kropelek materii jądrowej. A gwiazda neutronowa to nie kropelka, ale kilka kilometrów materiału, w którym jądra wchodzą w skład większej struktury. Skala materii ma tu znaczenie. To jest zupełnie inny układ niż ten, z którymi mamy do czynienia wokół nas i trzeba umieć go opisać.

Aby dowiedzieć się, co z punktu widzenia mechaniki kwantowej się dzieje w takiej neutronowej zupie, trzeba wykonać bardzo skomplikowane obliczenia. Nie można odróżnić neutronu, który jest w tej w tej nadcieczy, od neutronu, który jest związany w jądrze izotopu. Trzeba więc symulować zachowania tysięcy cząstek jednocześnie. Potrzeba do tego ogromnych superkomputerów, które rozwiązują jednocześnie kilkaset tysięcy sprzężonych ze sobą równań.

GLITCHE PULSARÓW

Badania pozwolą lepiej zrozumieć choćby pulsary. Dr Pęcak tłumaczy, że pulsary emitują z biegunów wiązkę promieniowania, którą obserwować można na Ziemi co jakiś regularny czas. Są traktowane jako bardzo precyzyjne mierniki czasu, latarnie morskie, które błyskają w ściśle określonych odstępach czasu. Są pomysły, by używać ich jako "kosmicznych GPS-ów", które pozwolą odmierzać czas i miejsce w czasie podróży kosmicznych.

Problemem jest np. to, że w obrotach pulsar co jakiś czas powstaje "glitch" - nieregularność, kiedy sygnał pojawia się w innym momencie niż można by było się spodziewać.

Dr Pęcak wyjaśnia, że poruszające się bez oporów nadciekłe wnętrze gwiazdy porusza się w innym tempie niż jego krystaliczna skorupa. Co jakiś czas następuje przeskok momentu pędu pomiędzy tymi ośrodkami. Bez symulacji tego, co się dzieje we wnętrzach gwiazd nie będzie można tych glitchów zrozumieć lepiej. Jeśli chcemy zrozumieć, dlaczego pulsar czasami "tyka" w dziwnym rytmie, trzeba zrozumieć, co się dzieje w jego wnętrzu - również na poziomie mikroskopowym.

W ramach pracy badacze stworzyli otwarte oprogramowanie oraz wyznaczyli niektóre właściwości materiału, z którego zbudowana jest gwiazda neutronowa. Model uwzględnia także efekty kwantowe, które przyczyniają się do ciekawego efektu: utworzenia pierścieni wirowych, które mogą mieć istotny wpływ na dynamikę całej gwiazdy.

"Te badania uświadamiają mi, jak uniwersalna jest fizyka. Gwiazdy neutronowe mają gigantyczne gęstości, natomiast ultrazimne gazy atomowe są o wiele razy rzadsze od powietrza. Mimo tych różnic, w obu układach występują dokładnie te same zjawiska: nadciekłość czy obecność wirów kwantowych" - mówi badacz.

Badania zostały przeprowadzone na Politechnice Warszawskiej z wykorzystaniem infrastruktury PLGrid oraz dostępu do superkomputera LUMI, a ich realizacja była finansowana ze środków Narodowego Centrum Nauki (NCN)

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/