#2 Gwiazdy Neutronowe, czyli młodsze siostry czarnych dziur

Pozdrawiam wszystkich czytelników, jest nas coraz więcej  a kolejne tematy mnożą się jak grzyby po deszczu! ;) To taki żart, obliczony na sukces marketingowy. Nie bójcie się, nadal jesteśmy w niszy 4 komentarzy do poprzedniego posta! ;)

Bez zbędnych dalszych ozdobników językowych i wstępów ruszamy w przestrzeń... tym razem trójwymiarową, co nie znaczy, że mniej ciekawą, bo zagiętą przez olbrzymie pole grawitacyjne gwiazdy neutronowej. Oglądaliście komiksową adaptację Thora? Podobno młot Mjollnir tej postaci jest wykonany z materii gwiazdy neutronowej. To bujda, bo nie chciałbym być w skórze planety, na którą upadłby taki młot. Ale po kolei...

Pewnie słyszeliscie o czarnych dziurach. Zapewne większość z Was wie też, słyszało co nieco o śmierci potężnych gwiazd, zapadaniu się umierających gazowych olbrzymów (bo tym są gwiazdy, te zwykłe)? Zapewne. O horyzoncie zdarzeń, czyli promieniu wokół osobliwości, po przekroczeniu którego siła grawitacji jest tak silna (a właściwie to czasoprzestrzeń jest tak silnie zakrzywiona przez grawitację, że zakrzywia drogę fotonów tak, że nie mogą z powrotem wyjśc poza horyzont) też pewnie słyszął niejeden z Was; tu można do znudzenia przywoływać film Interstellar, bo tam pokazana jest piękna, bliska naukowemu pojęciu wizualizacja czarnej dziury.

Osobliwość, czyli? To coś trochę innego od osobowości, uprzedzam pytanie ;) To hipotetyczny (bo na razie są snute tylko teorie, nikt nie potwierdził nigdy, że faktycznie coś takiego istnieje, poza przewidywaniami m.in. teorii względności) punkt, znajdujący się wewnątrz horyzontu zdarzeń. Centrum czarnej dziury, punkt, który ma nieskończoną gęstość i nieskończenie małą objętość (punkt, czyli zerowymiarowy obiekt, brzmi to dziwnie, ale w ujęciu teoretycznym i matematycznym tak właśnie jest, punkt nie ma wymiarów). Podobno poza horyzontem zdarzeń przemieszczamy się w czasie, a nie przestrzeni, osie drogi i czasu w ruchu zostają odwrócone... Mamy także naturalne ścieżki dźwiękowe do czarnych dziur - 'Supermassive Black Hole' - Muse oraz 'Black Hole Sun' - Soundgarden. Wszędzie czarne dziury! Całkowita szajba. Trąbią o tych czarnych dziurach wszyscy: robią one zawrotne kariery w mediach, prasie, kulturze, literaturze sci-fi... Wszystko pięknie, ale jest jeden problem. Bo to, co opisałem, to całkiem sporo jak na obiekty, które nigdy nie zostałuy zaobserwowane bezpośrednio i nawet niedawno Stephen Hawking podważył całkowiecie ich istnienie... Miraż, coś nieuchwytnego, często robi wiele szumu.

Ja mam dziś dla Was coś lepszego. Dlaczego lepszego? Bo potwierdzonego, zaobserwowanego i lepiej poznanego. Gwiazdy neutronowe. Są one ostatnim źródłem informacji o najbardziej skrajnym, a dostępnym jeszcze do obserwacji stanie materii we Wszechświecie. Poza horyzont zdarzeń czarnej dziury niestety nie da się zajrzeć, zabraniają tego obecne prawa fizyki.

Zacznijmy od początku. Skąd biorą się gwiazdy neutronowe? Ich także nie przynoszą bociany, to chyba jedyna cecha wspólna z ludźmi. Bo gwiazdy neutronowe to prawdziwe monstra przestrzeni kosmicznej. Gwiazdy, takie jak nasze Słońce, mają różne masy. Od 0,08 masy Słońca do gwiazd o masie 120-200 razy większej od naszej. Każda z nich ma określony czas życia, czyli czas, w jakim cały wodór budujący gwiazdę zostanie zużyty w reakcji syntezy w hel (co powoduje produkcję olbrzymich ilości energii;  na Ziemi od dawna prowadzone są badania nad syntezą termojądrową, czyli stworzeniem gwiazdy na Ziemi; byłoby to o wiele wydajniejsze źródło energii niż najwydajniejsze dzisiejsze elektrownie atomowe), któy to proces my obserwujemy jako wydzielaną energię świetlną i cieplną. Gdy gwieździe znudzi się popisywać i rozdawać za darmochę energię, zaczyna zwijać żagle. Jednak, jak już pewnie większość z nas zdążyła się dowiedzieć (to wiedza pokroju wiary/niewiary w świętego Mikołaja), Słoneczko nie kładzie się spać. Na zakończenie swojej działalności charytatywnej szykuje niezłe fajerwerki w postaci supernowej, jednego z najjaśniejszych i najpotężniejszych zjawisk w przestrzeni kosmicznej.

Jak do tego dochodzi? Nie będę wgłębiał sie w szczgóły śmierci gwiazdy, bo żeby rzetelenie wyjaśnić ten temat, należałoby napisać drugą epopeję. Poza tym, po co opisywać śmierć gwiazdy, skoro można opisać narodziny jej neutronowego potomka? Umarła królowa, niech żyje gwiazda neutronowa!

Wystarczy wiedzieć, że ciśnienie wywierane przez jądro przestaje równoważyć siły grawitacyjne zewnętrznych warstw złożone z cięższych pierwiastków (kiedy kończy się wodór, gwiazda zaczyna syntezować hel i po kolei, coraz cięższe pierwiastki, aż do żelaza; dlatego jest coraz cięższa, w skrócie rzecz ujmując).

I teraz najciekawsze: gwiazda zapada się pod własnym ciężarem. Szybko i gwałtownie, gwiazdy cięższe niż 8 Słońc wybuchają jako supernowe, a po wybuchu pozostaje... tu także nie będę Wam wykładał mas, tego co powstaje w każdym z przypadków i czym jest rezultat (a efektami moga być białe karły, nasze gwiazdy neutronowe oraz czarne dziury). Nas interesuje przypadek, gdy jądro pozostałe po wybuchu ma masę mniejszą niż 3,8 mas Słońca i może utworzyć gwiazdę neutronową. No, nareszcie! Widać główkę! ;)

W punktach będzie łatwiej :)

1. Powitanie

Jej istnienie zostało przewidziane w 1934 roku, dwa lata po odkryciu neutronów. W 1967 naukowcy z Uniwersytetu Cambridge zaobserwowali je w przestrzeni kosmicznej. Gwiazda neutronowa 1, czarna dziura 0 :) przynajmniej, jeśli chodzi o realność. Garść anegdot

2. Garść anegdot

Gwiazda neutronowa ma masę 1,4 do 2,5 masy Słońca, ale wielkość... Manhattanu, czyli średnicę około 20km. Niesie to za sobą dziwne implikacje. Jedna łyżeczka stołowa masy z gwiazdy neutronowej waży około 6 miliardów ton, czyli mniej więcej tyle, ile Mount Everest. Skorupa gwiazdy neutronowej jest 100 bilionów twradsza niż stal. Gdyby zrzucić żelkę z wysokości metra na jej powierzchnię, upadłaby na nią z prędkością 7 miliardów km/h, z siłą 1000 bomb atomowych. Niech żyje grawitacja, ponoć najsłabsza z czterech sił fundamentalnych ;) A jednak...

3. Soczewkowanie grawitacyjne

Gwiazda neutronowa wytwarza tak silną grawitację, że zakrzywia, tak jak czarne dziury, czasoprzestrzeń wokół siebie, powodując tak zwane soczewkowanie grawitacyjne - zagięcie światła znajdującego się za gwiazdą a wpadającego do naszego oka. To znaczy, że patrząc na gwiazdę neutronową od frontu, na bezczelnego, możemy zobaczyć to, co znajduje się bezpośrednio za nią i jest przez nią zasłaniane. Jednym słowem, kosmiczny słoń ;) Efekt jest widoczny na zdjęciu, trochę jednak artystycznym:

4. Pulsar

Gdy zapadająca się gwiazda kurczy się, z zasady zachowania pędu wynika, że gwiazda neutronowa musi zwiększyć szybkość rotacji. Przeciętnie okres obrotu wynosi od jednej setnej do kilku sekund. Rośnie też pole magnetyczne tego obiektu, a rośnie do olbrzymich rozmiarów. Naładowane cząstki - protony i neutrony, wydzielane przez powierzchnię gwiazdy, są przechwytywane przez to pole i wprawiane w ruch wirowy. Powstają wtedy fale elektromagnetyczne, które w postaci wąskich wiązek opuszczają gwiazdę w okolicach biegunów magnetycznych. Gwiazda 'wystrzeliwuje' ze swoich biegunów regularną, w postaci impulsów, wiązkę promieniowania, w zakresie całego widma (czyli zarówno bardzo energetyczne promieniowanie gamma jak i bardziej znane, ale równiez bardzo intensywne promieniowanie rentgenowskie), co powoduje, że gwiazdy te są czymś w rodzaju kosmicznych latarni morkich. Stąd nazwa - pulsar. Nie mylić z pulsometrem, biegacze. Takiego pulsometru nie chcielibyście nosić na ręce, 'nieco' spadłoby tempo  biegu ;) Dzięki okresowości promieniowania można obserwować je z Ziemi (co jednak nie znaczy, że uda sie to za pomocą lornetki. Potrzebujemy czegoś bardziej ekstra. Teleskopu ;)). Co więcej, okres ich obrotu jest tak regularny, że...

5. Zegar pulsarowy.

Tak! W 2011 roku w Gdańsku powstał pierwszy zegar pulsarowy, który odmierza czas wyznaczając go na podstawie okresu obrotu pulsara milisekundowego (bardzo szybko rotującej gwiazdy neutronowej). Dach Kościoła Św. Katarzyny Aleksnadryjskiej gości najdokładniejszy w momencie budowy zegar świata, przewyższający ponad 100x precyzyjnośc zegara atomowego. Sygnały pobierane są z 6 pulsarów, za pomocą 16 anten (tak, dach kościoła wygląda, jakby księża szukali kontaktu z UFO. No cóż, gwiazdy. Zawsze to bliżej Boga, niż na Ziemi. Zakon poszedł z duchem czasu ;)), tworząc macierz 4x4 metry. I tak braciszkowie dorobili się najdokładniejszego zegara. Teraz żaden z nich na pewno nie zaśpi na jutrznię. Niech no spróbuje, nie ma wymówek ;)

6. Magnetar.

To jest dopiero kuriozum. Jakby mało było gwiazdy neutronowej, która sama w sobie jest już kosmicznym cyrkiem na kółkach, z soczewkowaniem grawitacyjnym jako wizytówką, jest jeszcze magnetar, wyjątkowy rodzaj naszej złowieszczej neutronowej kulki. Posiada najsilniejsze ze wszystkich znanych obiektów w Kosmosie pole magnetyczne. Czym jest? I co potrafi?

Gwiazda neutronowa wytwarza olbrzymie pole magnetyczne, rzędu 10^8 Tesli. Magnetar szczyci się polem o natężeniu 10^10 Tesli. Dla porównania, średnie ziemskie natężenie pola magnetycznego to... 4,5 x 10^-5 T. To piętnaście rzędów wielkości, liczba różna o 1 i 15 zer. Nie robi wrażenia? No cóż, trudno sobie wyobrazić, ile to jest biliard razy więcej. To więcej niż bardzo, bardzo dużo.

Ale porównanie robi się ciekawsze, gdyby, czysto hipotetycznie, magnetar zbliżył sie do Ziemi. Tak, wyobraźmy sobie, że zamiast komety i bohaterskiego Bruce'a Willisa, który miałby nas, zwykłych i słabych ludzi, przed nią uratować, do trzeeciej planety od Słońca zbliżałby się magnetar. Fani Armageddonu mogą być rozczarowani, ale, chwileczkę, chwileczkę! Wrażenia, zapewniam, byłyby znacznie bardziej intensywne.

Jego powierznia ma temperaturę 10 milionów stopni Celsjusza. Gdyby magnetar, znajdujący się 10 lat świetlnych od Ziemi, wystrzelił swą tzw. 'flarę' w jej kierunku, całe życie na naszej planecie dosłownie by wyparowało. Flary powstają, kiedy pole magnetyczne jest tak mocno skręcone, że nie może się już bardziej ugiąć - wtedy 'prostuje się' w energetycznym rozbłysku. Najmocniejsza zaobserowawana flara (2004 rok, w konstelacji Strzelca, 50,000 lat świetlnych od Ziemi) - trwająca 1/10 sekundy - miała energię, jaką wypromieniowuje Słońce przez 100,000 lat!

Samo pole magnetyczne byłoby tak silne, że magnetar znajdujący się w połowie drogi między Ziemią a Księżycem zakłóciłby działania wszystkich naszych urządzeń elektronicznych, wymazując wszystkie na dane na jakichkolwiek kartach kredytowych. Zamiast rabować banki, sprowadźcie sobie magnetar, ale najpierw - zabezpieczcie swoje karty, coby uniknąć samobója ;)


7. Nasi tu byli!

Szczęśliwa siódemka z faktów o gwiazdach neutronowych okazuje się szczęśliwa dla naszego kraju. W 1992 roku Aleksander Wolszczan odkrył pierwszy pozasłoneczny układ planetarny - PSR 1257+12. Fakt, że planety okrążają gwiazdę neutronową, dodaje odkryciu smakczku. Oto wizja artystyczna wolszczanowskiego układu, rodem niemal z filmu 'Interstellar', gdzie planety krążą wokół starszej i ciemniejszej siostry gwiazdy neutronowej - czarnej dziury. Ale nasz, polski, też nienajgorszy, tym bardziej, że realny :)

8. Najlepsze jak zwykle na koniec. Materia zdegenerowana.

Gwiazda neutronowa składa się,w bardzo dużym uproszczeniu, z neutronów; są to elementy każdego jądra atomowego o ładunku obojętnym (protony (+) i elektrony (-) łączą się pod wpływem wysokiego ciśnienia, tworząc neutrony; stąd nazwa gwiazdy). Ale nie o tym chciałem napisać, takie informacje można sobie bez problemu znaleźć na ściądze.pl i biegać po lesie, obwieszczając żukom i jeleniom, że wiemy, z czego składa się gwiazda neutronowa. Tak, wylądowaliśmy na Księżycu.

Chciałem napisać nieco więcej o hipoteteycznej budowie jądra wewnętrznego naszej gwiazdki. Składa się ono, prawdopodobnie, z tzw. materii zdegenerowanej.

Materia zdegenerowana jest najgęstszym możliwym stanem materii - cząstki nie mogą zająć mniejszej objętości z powodu zajęcia już wszystkich stanów energetycznych o dopuszczalnej energii (cząstki nie mogą mieć takich samych stanów kwantowych - tzw. reguła Pauliego). Materia taka zachowuje się podobnie do cieczy a nie gazu, nie zmniejsza objętości w wyniku zwiększania ciśnienia. Czyli my ciśniemy, a neutrony swoje, nie, i koniec! Same neutrony, jeden obok drugiego i zupełnie nie ma miejsca na nic innego. Nie można gęściej upakować cząstek koło siebie, Pauli mówi 'stop'. Przytulaski.

Jest to materia tak gęsta, że pochłania neutrina, cząstki elementarne o tak małej masie, że Ziemia jest dla nich niemal przezroczysta, przelatują przez nią jak komar przez siatkę w oknie (wszyscy wiemy, że jednak zawsze przelatuje ;)).

Podejrzewa się też, że wewnętrzne jądro gwiazdy neutronowej, zbudowane z materii zdegenerowanej, jest nadciekłe. To znaczy, że ciecz ta ma lepkość równą zero. Miód ma większą lepkość niż woda, i tak dalej. Nie wiem, jak ze smołą, trochę się boję sprawdzać, bo mam mało łyżeczek na stanie, sami rozumiecie. Poza tym jestem fizykiem-teoretykiem-amatorem, nie doświadczystą ;) Materia nadciekła, puszczona raz w ruch, krąży bez końca, bez żadnego nakładu energii. Pomyślcie tylko, jak technologia mogłaby oszczędzić nam wysiłków, gdyby zastosować ją do ceremonii picia herbaty. Jeden ruch łyżeczką zamiast pięciu! I kto mi teraz powie, że nie lepiej inwestować w naukę niz zbrojenia? ;)

I tak, dobrnęlismy do końca. Oddaję głos do studia. Halo, halo, Tomku?

***

Halo, halo, Dieslu! ;)

Mam nadzieję, że podobał się Wam mini wykład z ciekawszej części astrofizyki, która mnie samego pasjonuje. Gwiazdy neutronowe należą do moich ulubionych, bo nie są tak oklepane, jak czarne dziury, a również wyjątkowo tajemnicze. Są tak ciekawe, że zasługują na moje pisanie i Wasze czytanie. Jeśli macie jakieś uwagi, śmiało, nie bójcie się - nie mam bomby neutronowej, będę co najwyżej raził słowem. A że jest silniejsze od miecza? Amatorzy herbaty na pewno się ze mną zgodzą ;)

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys