Keisčiausias visatos objektas (ir tai nėra juodoji bedugnė!)

Kai kas nors pa­klau­sia, koks yra pats keis­čiau­sias ob­jek­tas vi­sa­to­je, at­sa­ky­mas bū­na prak­tiš­kai vien­bal­sis: juo­do­ji be­dug­nė.

Ko­dėl? Nes jos už­val­dė vi­sų vaiz­duo­tę. Be ga­lo tan­kių, be ga­lo ma­žų ma­te­ri­jos (?) ga­ba­liu­kų pa­kan­ka keis­tų ir nuos­ta­bių min­čių įkvė­pi­mui. Jos drums­čia pro­tą. Juo­do­sios be­dug­nės at­ro­do to­kios keis­tos, kad kai ku­rie moks­li­nin­kai ma­no, kad jos iš­vis ne­tu­rė­tų eg­zis­tuo­ti ir pa­tei­kia ki­tas idė­jas apie jų eg­zis­ta­vi­mą. Yra dau­gy­bė keis­tų ir nuos­ta­bių idė­jų… Viena iš jų yra kvar­kų žvaig­ždė ar­ba keis­to­ji žvaig­ždė.

„Keistosios žvaigždės“ pavadinimas jai duotas, nes tai masyvus kompaktiškas objektas, sudarytas iš keistos materijos (paminiu kvarkų žvaigždę, kadangi jos labai panašios).

Tai kur kvarkų žvaigždė įsitaisiusi visoje žvaigždinių reikalų schemoje? Kai kuriais atžvilgiais ji pakeičia neutroninę žvaigždę ir juodąją bedugnę, bet ne visai. Žengiame į labai neaiškią mūsų fizikos žinių sritį; iki galo nesuprantame, kaip veikia neutronų degeneracija ir dar mažiau žinome apie tai, kas vyksta juodųjų bedugnių viduje. Šis netikrumas mūsų skaičiavimus daro kiek neaiškius. Laikoma, kad minimali neutroninės žvaigždės masė lygi maksimaliai baltosios nykštukės masei, tai yra, 1,4 Saulės masės.

Tačiau maksimali masė nėra taip aiškiai žinoma, kadangi neutroninėse žvaigždėse fizika tampa, švelniai tariant, šiek tiek sudėtinga. Buvo iškelta mintis, kad maksimali neutroninės žvaigždės masė yra lygi maždaug 2,2 Saulės masėms, o tai yra šiek tiek daugiau, nei anksčiau apskaičiuota. Tačiau, dėl neužtikrintumų, viršutinė riba gali būti netgi 2,9 Saulės masės. Kadangi didžiausios iki šiol rastos neutroninės žvaigždės masė prilygsta dviems Saulės masėms, labiau tikėtinas atrodo konservatyvusis galimos maksimalios masės vertinimas.

O kaip juodosios bedugnės? Kokia jų minimali masė? Na, kol kas mažiausia rasta yra 3,8 Saulės masių (bet manoma, kad juodosios bedugnės turėtų prasidėti maždaug iki 3 Saulės masių). Dabar turėtų būti aišku, kad yra akivaizdus tarpas, neatitikimas tarp didžiausių neutroninių žvaigždžių ir mažiausių juodųjų bedugnių. Čia ir įsispraudžia kvarkų žvaigždės. Kol kas dar neaptikta nė viena kvarkų žvaigždė ir ji nėra visapusiškas juodosios bedugnės pakaitalas (tam yra dar daug kitų teorinių žvaigždinių objektų). Ji tiesiog pakeičia būtinybę neutroninei žvaigždei būti didesne, nei įmanoma pagal mūsų vertinimus, ar juodajai bedugnei būti dar keistesnei, nei ji jau yra… jei tai išvis įmanoma.

Taigi, kas yra kvarkų žvaigždė? Neutroninę žvaigždę laiko neutronų degeneracija, pačių neutronų stūmos jėgos, neleidžiančios gravitacijai nugalėti. Kvarkų žvaigždė atsiranda, kai gravitacija laimi ir neutronai suskaidomi į sudedamąsias dalis: vieną aukštyn kvarką ir du žemyn kvarkus. Tada gravitacijai kelią į pergalę pastoja kvarkų degeneracija.

Aukščiau minėjau, kad yra ir keistųjų žvaigždžių, tai tos pačios kvarkų žvaigždės, bet dar šiek tiek keistesnės. Teoriškai gali nutikti, kad minėtieji žemyn kvarkai pasikeičia į kitą materijos formą, „keistuosius kvarkus“. Jei šios kvarkų rūšys susimaišiusios kvarkų žvaigždėje, ji tampa keistąja žvaigžde. Neutronų ir kvarkų žvaigždžių modeliavimas gana smarkiai skiriasi, neutronų žvaigždės atrodo daug sudėtingesnės, bet taip gali būti ir dėl to kad apie neutronų degeneraciją žinome daugiau, nei apie kvarkų degeneraciją. Įdomu paminėti ir teorinį kvarkų žvaigždžių dydį. Žvaigždėms degeneruojant, jos, savaime aišku, mažėja, juodosios bedugnės yra mažesnės už neutronines žvaigždes, neutroninės žvaigždės mažesnės už baltąsias nykštukes, baltosios nykštukės mažesnės už įprastas žvaigždes. Manoma, kad kvarkų žvaigždės šią seką laužo. Jos gali būti didesnės už neutronines žvaigždes. Manoma, kad 2,5 Saulės masių kvarkų žvaigždė iš tiesų gali būti didesnė už 2 Saulės masių neutronų žvaigždę, kas atrodo nelogiška, bet juk turime reikalą su keista materija!

Nors dar neatradome jokių kvarkų žvaigždžių, tai nereiškia, kad jų danguje nėra. Prisiminkite, juk vos prieš maždaug dešimtmetį juodosios bedugnės buvo laikomos teorine fikcija, iš dalies dėl to, kad daug mokslininkų manė, jog jos pernelyg keistos, kad galėtų egzistuoti. Dabar jos tapo kasdieniu kalbų objektu. Per kitą dešimtmetį populiarumo laurai gali pereiti kvarkų žvaigždėms… ir tada reikės imtis prionų žvaigždžių paieškų!

Nors verta paminėti, kad kvarkų žvaigždės gali būti ne visai juodųjų bedugnių alternatyvos, tik mažesnės žvaigždžių masės juodosios bedugnės.

Neutroninių žvaigždžių svoris ir sandara

Iš pirmo žvilgsnio, Žemė atrodo gan nemažas objektas. Virš 7 milijardų žmonių ant šios uolingos planetos paviršiaus randa sau namus, o be jų Žemė yra daugiau, nei 8,7 milijonų rūšių prieglobstis. Naudodamas tokius mastelius, kas nors galėtų tarti, kad Žemė yra didelė – ji ir yra, bet tik pagal žmogiškuosius standartus. Kita vertus, Jupiteris, didžiausia Saulės sistemos planeta, yra didelė, matuojant planetiniais matais. Jei palygintume su Žeme, tai Jupiteryje mūsų planetų tilptų 1300 kartų ir dar liktų laisvos vietos. (Šiaip jau Jupiteryje visai patogiai galėtų įsitekti visos mūsų sistemos planetos!) Bet Jupiteris yra visai menkas, palyginus su Saule, kurioje tilptų milijonas Žemės planetų.

Atrodo, visada yra kažkas didesnis, masyvesnis ir tankesnis už tave. Šiandien norėčiau pakalbėti apie išties masyvius objektus, neutronines žvaigždes. Šios žvaigždės būtent ir garsėja savo dideliu tankiu, o ne fiziniu dydžiu. Šios žvaigždės yra tankių, didelių žvaigždžių, kuriose nebevyksta branduolinės sintezės reakcijos, branduolio liekanos. Matote, kai žvaigždės išnaudoja savo kurą ir sprogsta, jos gali įgyti įvairias formas, o kuo jos tampa, priklauso nuo jų masės. Mažesnės žvaigždės, kurių masė nesiekia 1,4 Saulės masės Chandrasekharo ribos, suformuoja baltąsias nykštukes. Tuo tarpu milžiniškos žvaigždės (maždaug 4–8 Saulės masės), nebegalinčios palaikyti termobranduolinės reakcijos, sprogsta, palikdamos supertankias neutronines žvaigždes. O kokio jos tankumo?

Norint suprasti ekstremalų tankį (tai svarbu – suprasti, o ne tik įsiminti įdomius faktus), reikia suprasti, būtent kaip neutroninės žvaigždės formuojasi. Masyvios žvaigždės branduoliui spaudžiantis per supernovos sprogimą ir susitraukiant į neutroninę žvaigždę, jis išlaiko didžiąją dalį kampinio momento. Mažiausios neutroninės žvaigždės gali būti maždaug 20 km skersmens, bet jos masė beveik 1,5 karto didesnė už mūsų Saulės, gal netgi iki 3,5 Saulės masių! Kadangi jos spindulys yra niekingai mažas, lyginant su buvusiu spinduliu (ir todėl inercijos momentas smarkiai sumažėja), neutroninė žvaigždė susiformuoja labai greitai sukdamasi, ir tolydžio lėtėja. Analogiška situacija būna, kai besisukantis ant ledo čiuožėjas pritraukia rankas ir ima suktis greičiau.

Dėl ekstremalaus slėgio, žvaigždėje protonai ir elektronai sujungiami į neutronus, sutraukiami iki mažiausio įmanomo dydžio, kurį leidžia Paulio draudimo principas ir išlaikomi neutronų degeneracijos slėgio. Jei ant neutroninės žvaigždės krenta materija, žvaigždės greitas sukimasis suformuoja pulsarą. Spėjama, kad žvaigždės „atmosferos“ storis yra daugiausia kelių mikrometrų storio, o jos dinamiką visiškai lemia žvaigždės magnetinis laukas. Po atmosfera randame kietą „plutą“. Ji labai kieta ir itin lygi dėl nežmoniškos gravitacijos. Išorinė šerdis yra iš materijos, sudarytos iš įprastų atomų branduolių, sugniuždytų į kietą gardelę, su elektronų jūra tekančia jos tarpais.

Skverbdamiesi gilyn, rastume branduolius su vis didesniu neutronų skaičiumi; tokie branduoliai Žemėje kaip mat suirtų, bet čia jų stabilumą palaiko milžiniškas slėgis. Šiam procesui tęsiantis, dar arčiau branduolio, neutronais perteklius branduoliuose nebeišsilaiko ir ima sparčiai augti laisvų elektronų koncentracija. Šioje srityje yra branduoliai, laisvi eIektronai ir laisvi neutronai. Branduoliai darosi vis mažesni (gravitacija ir slėgis nugali stipriąją sąveiką), kol pasiekiamas branduolys, kur, pagal apibrėžimą, jie taip pat išnyksta. Branduolys nėra gerai suprantamas. Kvarkų gliuonų plazma, keistoji materija, kurioje be žemyn ir aukštyn kvarkų yra ir keistųjų kvarkų, ir keletas kitų idėjų, kurios postuluotos, bet išties dar nežinome, kas yra šių nuostabių žvaigždžių centre.

Manote, sveriate per daug? Prieš šokdami ant artimiausi bėgtakio, apmąstykite šiuos neutroninių žvaigždžių faktus. 5 mililitrai, arba vienas arbatinis šaukštelis neutroninės žvaigždės medžiagos sveria tiek pat, kiek maždaug 900 Didžiųjų Gizos piramidžių. Cukraus kubelis prilygtų 100 milijardų tonų. Kubinis metras? Visam Atlanto vandenyno svoriui. Kadangi neutroninės žvaigždės pabėgimo greitis yra 100 000 km/s (Žemės – niekingi 11,3 km/s), kritimas iš 1 metro aukščio ant neutroninės žvaigždės užtruktų vieną mikrosekundę, per kurią įsibėgėtumėte ir trenktumėtės į paviršių maždaug 2 000 km/s, arba 7,2 milijonų kilometrų per valandą greičiu. Tokia jėga sunaikintų visus jus sudarančius atomus, ir visa materija, iš kurios esate sudaryti, taptų identiška. Laimei, artimiausia neutroninė žvaigždė yra tolokai (maždaug už 400 šviesmečių), tad dėl anksčiau paminėto įvykio itin jaudintis neverta.