Ultrasoğuk Gazlar Nötron Yıldızının Bağırsaklarını Araştırabilir

Nötron yıldızları keşfedildiğinden beri, araştırmacılar evrenimizi araştırmak için onların olağandışı özelliklerini kullanıyorlar. Yıldız patlamalarının süper yoğun kalıntıları olan nötron yıldızları, Güneş’inkinden daha büyük bir kütleyi San Francisco kadar geniş bir top haline getirir. Bu yıldız maddesinin tek bir fincanı, Everest Dağı kadar ağır olacaktır.

Bu tuhaf gök cisimleri, bizi uzay-zaman dokusundaki uzak bozulmalara karşı uyarabilir, bize elementlerin oluşumunu öğretebilir ve evrendeki en uç koşullardan bazılarında yerçekimi ve parçacık fiziğinin nasıl işlediğinin sırlarını çözebilir.

Barselona’daki Uzay Bilimleri Enstitüsü’nden astrofizikçi Vanessa Graber, “Astronomi ve astrofizikteki birçok açık sorunun merkezinde yer alıyorlar” diyor.

Ancak bazı nötron yıldızlarının sinyallerini doğru bir şekilde yorumlamak için araştırmacıların önce içlerinde neler olup bittiğini anlamaları gerekiyor. Önsezileri var ama doğrudan bir nötron yıldızı üzerinde deney yapmak söz konusu bile olamaz. Bu yüzden bilim adamlarının teorilerini test etmek için başka bir yola ihtiyaçları var. Böylesine süper yoğun bir nesnede maddenin davranışı o kadar karmaşıktır ki, bilgisayar simülasyonları bile göreve uygun değildir. Ancak araştırmacılar bir çözüm bulmuş olabileceklerini düşünüyorlar: dünyevi bir benzetme.

Genç nötron yıldızlarının iç kısımları milyonlarca derece sıcaklıkta olabilse de, önemli bir enerji ölçüsüne göre nötronlar “soğuk” kabul edilir. Fizikçiler bunun, nötron yıldızlarının iç işleyişini incelemek için yararlanabilecekleri bir özellik olduğunu düşünüyorlar. Araştırmacılar gökyüzüne bakmak yerine, Dünya’daki laboratuvarlarda yaratılan aşırı soğuk atom bulutlarına bakıyorlar. Ve bu, nihayet bu esrarengiz nesneler hakkında uzun süredir devam eden bazı soruları yanıtlamalarına yardımcı olabilir.

Uzay tuhaflıkları

Nötron yıldızlarının varlığı ilk olarak 1934’te, iki yıl sonra önerildi. keşif gökbilimciler Walter Baade ve Fritz Zwicky merak eğer tamamen nötronlardan oluşan bir gök cismi bir süpernova patlamasından sonra kalabilirse. Tüm ayrıntıları doğru anlamamış olsalar da, genel fikirleri artık geniş çapta kabul görüyor.

Yıldızlar, daha hafif atomların çekirdeklerini daha ağır atomların çekirdekleriyle kaynaştırarak kendilerine güç verirler. Ancak yıldızların bu daha hafif atomları tükendiğinde, nükleer füzyon durur ve artık yerçekiminin iç kuvvetine karşı savaşacak bir dış basınç yoktur. Çekirdek çöker ve yıldızın dış katmanı içe doğru hızla hareket eder. Bu katman yoğun çekirdeğe çarptığında seker ve dışa doğru patlayarak bir süpernova üretir. Daha sonra kalan yoğun çekirdek bir nötron yıldızıdır.

1960’lara kadar Zwicky ve Baade’nin varsayımsal nötron yıldızları nihayet tespit edildi. Radyo astronomu Jocelyn Bell Burnell, Cambridge Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olarak çalışırken, uzaydan gelen garip, düzenli olarak atımlı bir radyo dalgası sinyali fark etti. tespit ediyordu daha önce hiç görülmemiş bir şey: bir deniz feneri gibi dönerken düzenli aralıklarla radyasyon ışınları yayan, pulsar adı verilen özel bir tür nötron yıldızı. (Danışmanı, gözlemevi müdürüyle birlikte – Bell Burnell değil – daha sonra keşif için Nobel Ödülü aldı.)

O zamandan beri binlerce nötron yıldızı tespit edildi. Evrendeki en yoğun, en yüksek basınçlı nesnelerden biri olan nötron yıldızları, son derece yüksek yoğunluklarda maddeye ne olduğunu öğrenmemize yardımcı olabilir. Yapılarını ve onları oluşturan nötron maddesinin davranışını anlamak fizikçiler için çok önemlidir.

Bilim adamları, bir nötron yıldızını oluşturan nötronların, protonların ve diğer atom altı parçacıkların, yıldızın neresinde olduklarına bağlı olarak kendilerini farklı şekilde düzenlediklerini zaten biliyorlar. Belirli bölümlerde, bir buz bloğundaki su molekülleri gibi katı bir şekilde toplanırlar. Diğerlerinde, sürtünmesiz bir sıvı gibi akarlar ve girdaplar oluştururlar. Ancak fizikçiler geçişin tam olarak nerede gerçekleştiğinden ve maddenin farklı fazlarının nasıl davrandığından emin değiller.

Bir nükleer ateş topundan doğan süper yoğun bir yıldızın, seyreltik bir aşırı soğuk parçacıklar bulutu ile çok az ortak noktası varmış gibi görünüyor. Ancak en az bir yararlı özelliği paylaşabilirler: Her ikisi de, her sistemin yapıldığı maddeye bağlı olan ve bu maddeye göre hesaplanan Fermi sıcaklığı olarak bilinen bir eşiğin altındadır. Bu sıcaklığın oldukça üzerinde olan bir sistem, büyük ölçüde klasik fizik yasalarına göre davranacaktır; çok altındaysa, davranışı kuantum mekaniği tarafından yönetilecektir. Kopenhag’daki Niels Bohr Enstitüsü’nden teorik fizikçi ve erken dönem bir çalışmanın ortak yazarı Christopher Pethick, bazı aşırı soğuk gazlar ve nötron yıldızı malzemelerinin her ikisi de Fermi sıcaklıklarının çok altında olabilir ve sonuç olarak benzer şekillerde hareket edebilir, diyor. nötron yıldızlarına genel bakış 1975’te Nükleer Bilimin Yıllık İncelemesi.

Fermi sıcaklığının altında olan madde, dikkate değer ölçüde evrensel yasalara uyabilir. Bu evrensellik, birkaç milyon derecelik nötron yıldızı maddesine kolay erişimimiz olmasa da, Dünya’daki laboratuvar vakum odalarında yaratılabilen ve manipüle edilebilen aşırı soğuk gazlarla deneyler yaparak davranışlarının bir kısmını öğrenebileceğimiz anlamına geliyor, diyor. New York’taki Stony Brook Üniversitesi’nden teorik astrofizikçi James Lattimer, bir nükleer madde biliminin özeti 2012’de Nükleer ve Parçacık Biliminin Yıllık İncelemesi.

Lattimer’i özellikle ilgilendiren, üniter gaz adı verilen teorik bir durumdur. Bir gaz, parçacıklarının her birinin etki alanı sonsuz olduğunda üniterdir, yani ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar birbirlerini etkileyeceklerdir. Gerçekte buna sahip olmak imkansızdır, ancak aşırı soğuk atom bulutları ve nötron yıldızlarının içindeki madde de yaklaşabilir. Lattimer, “Bir üniter gaza benzer,” diyor, “ancak mükemmel bir üniter gaz değil.”

Gerçekçi

Uzun bir süre boyunca, bir gazın basıncı ile yoğunluğu arasındaki kesin ilişki, tam olarak hesaplanamayacak kadar karmaşıktı. Ancak deneysel fizikçiler, soğuk atom bulutlarını kontrol etme ve onları üniter bir gaza çok, çok yaklaşacak şekilde ayarlama becerisini geliştirdiklerinde, bu, böyle bir gazın özelliklerini belirlemede yeni bir yol açtı. bir bilgisayarda hantal matematik.

Bu aşırı soğuk atom bulutları aslında üniter gaz olmaya nötron yıldızı maddesinden daha yakındır, dolayısıyla benzetme mükemmel değildir. Ancak, Lattimer’in soğuk atom bulutlarından neredeyse üniter gaz ölçümleri alabilmesi ve bunları nötron yıldızlarının iç işleyişini tanımlayan bazı teorik modelleri iyileştirmek için nötron maddesine uygulayabilmesi yeterince yakın. Ve soğuk atomlarla yapılan deneyler, bilim adamlarının bazı açıklanamayan nötron yıldızı fenomenlerinde fiziğin ne olabileceğine dair teoriler geliştirmelerine yardımcı olabilir.

Özellikle, Graber ve diğer bilim adamları, pulsar arızaları adı verilen en büyük gizemlerden birine dair ipuçları bulmayı umuyorlar. Genel olarak, bir pulsar “saatinin” düzenli zamanlanmış tik takları o kadar güvenilirdir ki, doğruluğu atomik saatlerinkiyle rekabet eder. Ancak her zaman değil: Bazen pulsarın dönüş hızı aniden artarak bir aksaklığa neden olur. Bu ekstra gücün nereden geldiği belli değil. Cevap, bu maddenin bir nötron yıldızı içinde nasıl hareket ettiğidir.

Bir nötron yıldızının bazı kısımlarında hem soğuk gazlar hem de nötron maddesi süperakışkanlardır – parçacıklar herhangi bir sürtünme olmadan akar. Bir süperakışkan döndüğünde, küçük girdaplar veya girdaplar gelişir. Bu girdapların tam olarak nasıl hareket ettiği ve dönen bir nötron yıldızı içindeki birbirleriyle ve diğer yapılarla nasıl etkileşime girdiği hala açık bir sorudur. Pullman’daki Washington Eyalet Üniversitesi’nde teorik fizik okuyan Michael McNeil Forbes, “Muhtemelen bu güzel, düzenli girdap kafesi değildir” diyor. “Yıldızın tamamında bulunan bazı girdaplar olabilir. Bilmiyoruz.”

Forbes ve diğerleri, atarcaların dönüşünde gözlemledikleri aksaklıkların, bu girdapların yıldızdaki yapılara nasıl “sabitlendiği” ile ilgili olduğundan şüpheleniyorlar. Genel olarak, tek bir girdap bir sıvının etrafında serbestçe kıvrılır. Ancak sıvı, girdabın hareketini engelleyen sert bir şekilde paketlenmiş bir madde alanı içerdiğinde, girdap duracak ve hatta bazen dönen kollarını katı nesnenin etrafına saracak ve merkezi tam onun üzerinde olacak şekilde kendini konumlandıracaktır.

Girdaplar bu şekilde sabitlenme eğilimindedir, ancak bazen sabitlenebilir ve nesneden uzaklaşabilirler. Bu olduğunda, sıvı akışı nesneye bir tork uygular. Bir nötron yıldızındaki çeşitli yapılardan yüzbinlerce girdap bir anda çözülürse, yıldızın dönüşünü aniden hızlandırabilirler. Forbes, bu kadar çok girdabın aynı anda nasıl çözülebileceğini açıklıyor: “Bir kum yığınının üzerine kum atmak gibi – hiçbir şey gerçekte … tam bir çığ düşene kadar olmaz.”

Ancak klasik bilgisayarların, bu kadar çok girdabın dansının tüm inceliklerini aynı anda tam olarak hesaplaması neredeyse imkansızdır. Bu yüzden Forbes, soğuk atom bulutlarında bu girdapları oluşturabilen ve ne olacağını görebilen deney gruplarıyla ekip kurmayı planlıyor. Fikir, “başka bir şekilde yapamayacağımız şeyleri hesaplamak için analog kuantum bilgisayarları olarak soğuk atom deneylerini kullanmak” diyor.

Araştırmacılar, laboratuvarda düzenli olarak gördükleri diğer aşırı soğuk fenomenlerin, nötron yıldızlarının davranışlarına ilişkin yeni araştırma hatlarına nasıl ilham verebileceğini incelemekle meşguller. Son zamanlarda, Graber ve meslektaşları çok fazla olasılık hepsini yayınlamak için 125 sayfaya ihtiyaçları olduğunu. 2019’da dünyanın dört bir yanından düzinelerce astronom, nükleer fizikçi ve aşırı soğuk atom fizikçisi bir araya geldi. şaşırtıcı bağlantıları daha fazla tartışın alanları arasındadır. Araştırmacılar, bu beyin fırtınaları tarafından üretilen bazı fikirleri test etmeye yeni başlıyor.

Pethick, yıldızların kendilerinden de daha fazla şey öğrendiklerini söylüyor. “Bu heyecan verici bir alan, çünkü şu anda pek çok gözlem geliyor.”

Bilim adamları, daha iyi teleskoplar ve bir nötron yıldızının anlaşılmaz iç yapısıyla ilgili özellikleri toplamak için yeni yöntemlerle, soğuk atomlar ve nötron yıldızları arasındaki bu analojinin ne kadar ileri götürülebileceğini bulmayı umabilirler.

Bu makale ilk olarak yayınlandı Bilinen Dergi, Yıllık İncelemelerden bağımsız bir gazetecilik girişimi. için kaydolun haber bülteni.