Odtworzyli warunki z ekstremalnej gwiazdy. Sprawdzili, co tam się dzieje
Grupa naukowców z Narodowego Laboratorium Oak Ridge w Tennessee w USA zdołała odtworzyć kluczową reakcję jądrową, jaka zachodzi na powierzchni gwiazdy neutronowej, która pochłania inną. Prace, w których udział brali naukowcy z dziewięciu różnych instytucji z trzech krajów sprawiły, że od tej pory nasze zrozumienie procesów, jakim podlegają gwiazdy we Wszechświecie, będzie jeszcze większe.
Eksperyment pozwolił badaczom na przyjrzenie się z bliska procesowi tzw. nukleosyntezy, jaki zachodzi na powierzchni gwiazdach neutronowych. W jego wyniku wodór i hel z pobliskiej gwiazdy, która jest dosłownie pożerana przez swoją znacznie masywniejszą sąsiadkę, są poddawane działaniu ogromnych energii, co prowadzi do powstawania innych pierwiastków chemicznych.
Czytaj także:
- Jak szuka się planet pozasłonecznych? Astronomowie stosują sprytne metody
- Są lata świetlne od Ziemi, a znamy skład ich atmosfer. Skąd wiemy tak dużo o egzoplanetach?
- Czarne dziury są defektem czasoprzestrzeni? Nowa teoria żegna te tajemnicze obiekty
Gwiazdy neutronowe to zadziwiające obiekty.
Gwiazdy neutronowe powstają, gdy masywnej gwieździe kończy się paliwo i zapada się ona na skutek grawitacji. Ten proces prowadzi do tego, że cała, często wielokrotnie większa od Słońca gwiazda, zostaje ściśnięta do rozmiarów mniej więcej Warszawy. Grawitacja ściska podstawowe cząstki tak blisko siebie, jak to tylko fizycznie możliwe, co prowadzi do powstania najgęstszej materii, jaką możemy bezpośrednio zaobserwować. Kostka do gry wykonana z takiej skompresowanej materii miałaby na Ziemi wagę równą Mount Everestowi!
Gwiazdy neutronowe posiadają jednak jeszcze więcej niezwykłych cech. Obracają się bowiem szybciej niż np. ostrza kosiarki lub blendera i jednocześnie są najsilniejszymi magnesami we wszechświecie. Na ich powierzchni istnieje stała powłoka, która otacza płynny rdzeń. Co ciekawe jest on określany jako „nuklearny makaron” z powodu tego, że materia, z której się składa, układa się właśnie w taki sposób jak spaghetti na talerzu.
Kelly Chipps, astrofizyczka jądrowa z Departamentu Energii w Laboratorium Oak Ridge, która kierowała badaniami, wyjaśnia:
Gwiazdy neutronowe są naprawdę fascynujące zarówno z punktu widzenia fizyki jądrowej, jak i astrofizyki. Głębsze zrozumienie ich dynamiki może pomóc ujawnić kosmiczne receptury pierwiastków we wszystkim, od ludzi po planety. Ponieważ gwiazdy neutronowe są tak dziwne, są one użytecznym, naturalnie występującym laboratorium do testowania, jak materia neutronowa zachowuje się w ekstremalnych warunkach.
Gwiazdy neutronowe posiadają ogromne przyciąganie grawitacyjne, które jest w stanie przechwytywać wodór i hel z pobliskich ciał niebieskich. „Ukradziona” w ten sposób materia gromadzi się na jej powierzchni, a następnie dochodzi do zapłonu w serii powtarzających się eksplozji, w trakcie których tworzą się nowe pierwiastki chemiczne.
Kosmiczne laboratorium.
Wiele reakcji jądrowych, które napędzają takie eksplozje, wciąż wymyka się poznaniu i zrozumieniu naukowców. Wspomniany proces nukleosyntezy prowadzi do powstawania nowych jąder atomowych. W opisywanym eksperymencie naukowcy uderzyli w cel, jakim były cząstki alfa, a dokładniej, jądra helu-4 (cztery to liczba protonów i neutronów), wiązką argonu-34. W wyniku tej fuzji doszło do powstania jąder wapnia-38, które mają 20 protonów i 18 neutronów. Ponieważ jądra te były w stanie wzbudzenia, doszło do wyrzutu protonów i cały proces zakończył się powstaniem jąder atomowych potasu-37.
Co ciekawe, eksplozje zachodzące na powierzchni gwiazd neutronowych nie niszczą ich. Następujące po sobie, wciągają do mieszanki ściągniętego z innych obiektów materiału składniki skorupy gwiazdy. To prowadzi do powstania niespotykanego układu, w którym ciężkie pierwiastki powstałe podczas poprzednich eksplozji reagują z lekkim wodorem i helem. Sekwencja reakcji, która wtedy następuje, może wytworzyć dziesiątki pierwiastków.
Obliczenia statystyczne to jedno, rzeczywiste warunki, jakie panują w kosmosie to drugie. Naukowców nurtowało pytanie, czy modelowanie matematyczne jest adekwatne dla reakcji zachodzących w gwiazdach, a nie tylko w ziemskich laboratoriach. Wspomniana astrofizyczka Chipps mówi:
Osiągnięty przez nas wynik pokazał, że model statystyczny jest prawidłowy dla tej konkretnej reakcji, a to usuwa ogromną niepewność z naszego rozumienia gwiazd neutronowych. Oznacza to, że teraz lepiej rozumiemy, jak przebiegają te reakcje jądrowe. Testujemy przejście między modelem statystycznym a rzeczywistością, by ocenić czy jest on prawidłowy lub nie.
