#13 Że co, proszę, czyli Gwiazdy Dziwne aka Gwiazdy Kwarkowe

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Serwus! Pamiętacie, kto się ostatnio tak z Wami przywitał? Może pradziadek... Specjalnie użyłem dość archaicznego powitania, żeby przykuć Waszą uwagę. Jakby Gwiazdy Dziwne nie były wystarczającym powodem ;) Rozumiem, że nie każdy szaleje na punkcie fizyki, ale postaram się dać Wam powody, aby tak było.

Mamy poświętno-przedsylwestrowy czas. Chciałem Was jeszcze w starym roku czymś zaskoczyć, dlatego wybrałem jeden z tematów, który jest nieźle odjechany. Tak naprawdę staram się, aby wszystkie były, ale wiadomo, jedne są bardziej, inne mniej pokręcone. Aż mi się palą palce, aby zacząć opowiadać o Gwiazdach Dziwnych, ale muszę uczynić zadość społecznym wymogom i się przywitać. Pewnie się dziwicie - cztery miesiące nic, a naraz dzień po dniu szaleństwo i fizyczny piknik. Spokojnie. Jest czas na milczenie i czas na kłapanie dziobem. Wypadałoby podać teraz jakiś powód; obiecuję, że do końca tekstu coś wymyślę ;) A teraz...

1. Przydługi Wstępniak Naukowy.

Bez paniki. Bez punktu 1.) nie bylibyśmy w stanie sobie wyobrazić, czym są Gwiazdy Dziwne. A chcę, żebyście dobrze zrozumieli, bo kiedy zrozumiecie, powinno Was ogarnąć podobne uczucie do tego, jakiego doznalibyście obserwując konia przysiadającego się do Was w barze i zamawiającego piwo. Naprawdę. Gwiazdy Dziwne powinny nazywać się Gwiazdami Say What??? Są aż tak pokręcone i niesamowite. Do dzieła zatem.

Jeśli gwiazdy neutronowe i czarne dziury nie są dla Ciebie, Czytelniku, wystarczająco dziwne, to dobrze trafiłeś. Zresztą, sami fizycy mają świetne powody by sądzić, że w Kosmosie istnieją jeszcze bardziej niezwykłe obiekty od dwóch w/w. Są to gwiazdy zbudowane całkowicie z kwarków. Kwarki to... Ok, może łatwiej pójdzie od końca.

Materia jest zbudowana z cząsteczek. Cząsteczki, poziom niżej - atomy danego pierwiastka. Weźmy taki węgiel. To czym palicie w piecach... no dobrze, pomijam w tym zdaniu mieszkańców Krakowa i okolic bo tam pali się śmieciami ;) Jeśli nie palicie w piecach to lepiej zacznijcie, bo Winter is coming... O'kay, koniec żartów. Węgiel. Atom węgla to nic innego jak jądro atomowe i elektrony w chmurach elektronowych otaczających jądro, poruszają się w zakresie tzw. orbitali.

1.5 Dygresja elektronowa

Elektron to cząstka o ładunku ujemnym, jądro zaś składa się z protonów (+) i neutronów (brak ładunku elektrycznego). Elektron jest cząstką elementarną, bo nie da się go podzielić.

Elektron jest tu ciekawostką; nie wiadomo, czy ma strukturę wewnętrzną. Dzięki akceleratorom, gdzie zderza się je ze sobą (LHC to nic innego jak koło przyjaciół nanobilarda ;)), odkryto, że elektron zachowuje się jak kulka o promieniu 2,818 x 10^-15 metra. Jednakże doświadczenia z tzw. pułapkowaniem w polu magnetycznym wykazały, że promień elektronu jest mniejszy niż 10^-22 metra. To oznacza, że do końca nie wiemy, czy nie jest on cząstką punktową, czyli zerowymiarową. Ponieważ mimo iż posiada dobrze znany ładunek, masę, wiemy, że wiruje wokół własnej osi, to jednak w świecie fizyki cząstek elementarnych przyjmuje się, że jego promień wynosi zero. I mówię to z pełną odpowiedzialnością fizyka amatora i kolejnej mądrali internetowej ;)

Pojawiają się pytania: co wiruje, jeśli promień wynosi zero? Gdzie jest ładunek? Jak toto może mieć masę? Był taki gość jak Boskovic, który rozwiązał te problemy w następujący sposób: potraktował zderzane obiekty jak punkty, takie matematyczne, czyli zerowymiarowe, ale pozwolił im zachować swoje własności, takie jak ładunek i masa. Wtedy obliczenia zgadzały się z obserwacjami. Jednak kłopot z elektronem istnieje nadal, ponieważ nie jest on obiektem matematycznym, a fizyczną, realną cząstką. Dalszym rozważaniom pikanterii dodaje fakt, że eksperymentalnie potwierdzono teorię, iż w nanoświecie istnieją punktowe masy, ładunki i obroty. Jest to totalna abstrakcja, bo nic z takich rzeczy nie zobaczycie w naszym normalnym otoczeniu. Świetne są te elektrony! Coś czuję, że już gdzieś o nich pisałem, ale są tak fajne, że niedługo chyba spłodzę o nich całego posta :)

Prawie 2. Ciąg dalszy Wstępniaka Naukowego, oczywiście Przydługiego.

Dobra. Mała dygresja, a ile radości.

Mamy te elektrony, protony i neutrony. Protony i neutrony tworzą jądro, spajane przez siły jądrowe, które są szczególnym przypadkiem oddziaływań jądrowych silnych, jednej z sił fundamentalnych. Na małych odległościach nie przyciągają tylko odpychają (o_O), ich siła jest sto razy większa od sił elektrostatycznych, są niezależne od ładunku i występują tylko między nukleonami. A z czego są nukleony (protony i neutrony)? Z kwarków właśnie.

Kwarki są różne. Są, według naszej wiedzy, niepodzielne. A także - spajane przez gluony, bezmasowe cząstki przenoszące oddziaływania silne, które trzyma kwarki jeden obok drugiego. Kwarki mają fajne nazwy (górny, dolny, dziwny, powabny, niski, wysoki) i różnią się właściwościami, bo, jak napisałem, są różne :)

Ale nie o to tutaj chodzi, żeby bawić się w podręcznik fizyki - tam sobie wszystko o kwarkach znajdziecie (nie mylcie ze skwarkami; do tego potrzebna jest książka kucharska), a leniwcy oczywiście włączą Interneta. Kwarki posłużą nam do zbudowania Gwiazdy Dziwnej. Ale to za chwilę. Albo i za 20 minut, jeśli wolno czytacie ;)

Matematyka, której tak nie cierpi pewnie z 50% gimbazy, dała fizyce XX wieku możliwość wytłumaczenia wielu zjawisk związanych z Wszechświatem. Jednakże ta dobroniosąca matematyka stworzyła także kilka niespodzianek. Wyzierają z tej matmy potwory, o jakich Wam się nie śniło, a właśnie o nich czytacie ;)

Te potwory to na przykład Biała Dziura, ale także przewidywania zjawisk tak ekstremalnych i dziwnych, że aż człowiek zastanawia się, czy aby mają prawo istnieć w rzeczywistości. Jednym z nich są pozostałości po najmasywniejszych gwiazdach, zombiaki, takie jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe (zapraszam do artykułu o Gwiazdach Neutronowych).

Fizyka Einsteina mówi, że jądro martwej gwiazdy musi zapaść się pod własnym, olbrzymim ciężarem. Tak powstają neutronówki, a co masywniejsze gwiazdy zapadają się do czarnych dziur. Jednakże to są oklepane tematy. Czarna dziura to pierwsza zajawka każdego, kto zainteresował się astronomią bądź innym rodzajem fizyki (takim fajnym, chyba, że wolisz rozwiązywać zadania o staczającym się po równi pochyłej klocku i o siłach na niego działającym, są i tacy matematyczni zboczeńcy; taką fizykę znam z liceum, niestety ;), a fizyka to przecież o wiele więcej. To był krótki tekst krytykujący obecne szkolnictwo obowiązkowe ;))

Okej. Tak pokrótce: gwiazda spala wodór w procesie fuzji, tworzy się energia, jak w naszym Słoneczku. Kiedy skończy jej się to paliwo, świecidełko na nocnym niebie kopie bardzo efektownie w kalendarz - większość protonów i elektronów wodoru i helu jest miażdżonych i tworzy neutrony. Przy średnicy około 10 km miażdżenie zatrzymuje się, bo neutrony osiągają maksymalny stopień upakowania. To w jądrze. Reszta zapadającej się gwiazdy uderza w to jądro i mamy wybuch supernowej. To taki kosmiczny Sylwester ;) Pozostaje samo jądro - gwiazda neutronowa, niesłychanie gorąca i obracająca się wokół własnej osi niczym Katerina Witt za swoich najlepszych lat. Posiada ona (nie Katarina, gwiazda) silne pole magnetyczne, które powoduje, że z biegunów wystrzeliwane są tzw. dżety energii (i takie gwiazdy to pulsary). I teraz, zbliżamy się do wisienki na torcie.

3. Neutronium i coraz dalej w las.

Zwykła gwiazda neutronowa ma żelazną powierzchnię, pod którą znajduje się kuriozalna ciecz - neutronium. Neutronium składa się prawie jedynie z neutronów i jest najgęstszą znaną substancją we Wszechświecie! Centymetr sześcienny neutronium waży miliard ton. To limit gęstości w naszych warunkach, na skalę kosmiczną nawet. No, prawie ;)

Neutronium to materia zdegenerowana. Podobna do materii, z jakiej składają się żule spod sklepu. To ostatnie to oczywiście żart. Przepraszam wszystkich żuli, którzy czytają mój artykuł ;) Ale - przysłużyliście się nauce.

Lecimy dalej. Materia zdegenerowana jest tak ściśnięta, że cząstki nie mogę znajdować się już bliżej siebie bez zajmowania tego samego stanu kwantowego. To zasada Zakazu Pauliego - dla cząstek zwanych fermionami, do których należą neutrony. Nie potrafimy stworzyć neutronium w laboratoriach, dlatego niewiele o nim wiemy.

Neutrony są tak gęsto upakowane, że zaczynają na siebie nachodzić. A wtedy, moim mili, neutrony rozpadają się na kwarki i rodzi się nowa gwiazda, Gwiazda Dziwna.

4. Materia Kwarkowa i Materia Dziwna.

Jak to możliwe, że zostają same kwarki, niepodzielne i najbardziej elementarne ze znanych cząstek? Co to za stan skupienia materii? Materia kwarkowa...

Tu wepnę kolejną dygresję, konieczną wszakże, i do tego bardzo ciekawą.

Uważa się, że coś w rodzaju gazopodobnej materii kwarkowej wypełniało cały Wszechświat w Epoce Kwarków - około jednej milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu, początku naszego Kosmosu. Była to tak zwana plazma kwarkowo-gluonowa. Super temat, ale to na kiedyś. Co bardziej szałowe, umiemy coś takiego wytworzyć w naszych akceleratorach cząstek! Niewielkie jej ilości istnieją przez ułamki sekund przy zderzeniach np. protonów w LHC w Genewie. Możemy ją badać po produktach rozpadów tych zderzeń. Jednakże materia kwarkowa jest poddana gargantuicznym ciśnieniom w gwieździe neutronowej, nie olbrzymiej temperaturze, jak u nas. W gwieździe tworzy raczej nadciekły płyn (Wujek Google będzie wdzięczny za odwiedziny, dla żądnych wiedzy) a nie plazmę. Jednakże ten płyn jest gęstszy od neutronium. Po prostu zupa grochowa taka, że aż łyżka stoi, do tego pełna (s)kwarków ;)

Takie gwiazdy neutronowe o jądrze z materii kwarkowej nazywamy Gwiazdami Kwarkowymi.

Neutrony rozpadły się na jeden kwark górny i dwa dolne. Materia kwarkowa zbudowana z takich typów kwarków musi być trzymana w ryzach za pomocą olbrzymiego ciśnienia, aby zachować stabilność poza jądrem atomowym. To wyklucza istnienie gwiazdy zbudowanej z takiej materii. Chyba, że...

Materia kwarkowa stanie się materią dziwną.

Prawdopodobnie, kiedy neutrony rozpadają się pod wpływem gigantycznego ciśnienia (kończą mi się synonimy słowa 'wielki'; niedługo zacznę mówić po prostu 'mega', 'ultra', 'hiper';)), połowa kwarków dolnych przeistacza się w kwarki dziwne. I oto mamy materię dziwną! Super nazwa. Następnym razem, gdy ktoś powie ci, że jesteś dziwny, powiedz, że to dlatego, że składasz się z samych kwarków ;)) O ripostę się nie martw. Usłyszysz: 'z czego, ze skwarków?!'

Materia dziwna to szczególny przypadek materii kwarkowej. Posiada trzy typy kwarków zamiast dwóch. Gdyby Gwiazdy Dziwne istniały, bo na razie są oczywiście jedynie hipotetycznymi ciałami niebieskimi, mogłyby istnieć również krople materii dziwnej, tzw. 'dziwadełka' :) Śmiejcie się, śmiejcie. Śmieszna nazwa, tak? Dziwadełka zachowywałyby się jak wirusy! Wystarczyłoby, że pojawią się w otoczeniu materii jądrowej, a natychmiast konwertowałyby ją na materię dziwną. Dziwne... ;)

Pojawienie się kwarków dziwnych oznacza, że więcej cząstek może zajmować najniższy poziom energetyczny. Nie ważne, co to jest stan energetyczny, dla nas ważne jest tylko to, że kwarki robią 'terefere' Zakazowi Pauliego poprzez transformację. Ten najniższy poziom energetyczny wpływa na fakt, że materia dziwna może być najstabilniejszym stanem materii we Wszechświecie! Jest stabilniejsza nawet niż jądro żelaza.

5. Tak krawiec kraje, czyli jaka materia, taka gwiazda.

Gwiazdy Kwarkowe/Dziwne są czymś pośrednim między czarnymi dziurami a gwiazdami neutronowymi. Pośrednim? Chodzi oczywiście o masę umierającej gwiazdy. Rozmiary? XS. Naprawdę, mają około 5-10km (10-14 km dla gwiazdy neutronowej).

Gwiazda Dziwna byłaby całkowicie stabilną gwiazdą. Mogłaby istnieć... wiecznie. Tak! Nie rozpadłaby się ani nie zdegenerowała do czegoś bardziej podstawowego, bo sama składałaby się z materii już niemożliwej do rozpadu. I egzystowałaby w nieskończoność.

4.5 Dygresja protonowa.

Gwiazdy dziwne przeżyłyby nawet protony, których hipotetyczny czas rozpadu (do tej pory nie zaobserwowany pomimo faktu, że detektor Super-Kamiokande starający się wykryć rozpad protonu zawiera 50000 ton wody, nie zaobserwował nic. A powinien, bo przy takiej ilości materii - 10^34 protonów - przewiduje się rozpad 100000 z nich) wynosi 10^29 lat. Wiek Wszechświata to 10^10 lat...

Niestety, rozpad protonu to teoria spoza Modelu Standardowego, dlatego jest mocno niepewna. Zawiera się w Teorii Wielkiej Unifikacji, kandydatce na Teorię Wszystkiego. Ale to już inna para kaloszy...

Prawie 5. Ciąg dalszy afery z krawcem.

To nie wszystko. W sensie, istnienie Gwiazd Dziwnych mogłoby implikować inne, jeszcze bardziej, a jakże, zwariowane fakty. Co jeszcze mogłoby dziać się w jądrach gwiazd neutronowych? Przy dostatecznej gęstości, warunki w środku tych gwiazd mogłoby być tak ekstremalne, że przypominałyby czas nawet sprzed Epoki Kwarków.

W okresie mniej niż jedną miliardową sekundy po Wielkim Wybuchu siły fundamentalne (oddziaływanie jądrowe silne i słaby, elektromagnetyzm i grawitacja) były trochę inne niż te, jakie znamy dziś. Siła elektromagnetyczna i jądrowa słaba były połączone w jedną siłę elektrosłabą. Możliwe, że gwiazdy neutronowe mają elektrosłabe jądro, coś jak jabłko (takiej wielkości) o masie dwóch Ziem, w której dosłownie płoną kwarki... A wystrzeliwana energia to prawie wyłącznie neutrina, bardzo lekkie cząstki. Super. Witajcie w piekle.

Ach, zapomniałbym. Gwiazdy Dziwne mają w rzyci grawitację. Materia dziwna jest tak stabilna, że gdyby wyłączyć grawitację, pod naporem wewnętrznego ciśnienia rozpadłaby się nawet gwiazda neutronowa, a dziwna nie! Mogłaby jedynie trochę zwiększyć swoje rozmiary. Gwiazdy Dziwne są utrzymywane w całości dzięki specyficznym siłom międzykwarkowym, a nie grawitacyjnym. Dziwne są te Gwiazdy Dziwne! :)

5. Realne klocki do teoretycznej układanki.

Astronomowie nie robią nic innego, tylko gapią się godzinami w niebo. Ale czasem coś tam wypatrzą. I wypatrzyli.

3C58. Taka jest oficjalna nazwa podejrzanego o dziwność.

Dane wskazują na coś o wiele chłodniejszego, niż powinna być gwiazda neutronowa w tym wieku. Być może w środku tego neutroniaka powstało jądro z materii kwarkowej i powoli przeistacza się w materię dziwną (ten numer a la wirus). Kwarki dolne zamieniają się w dziwne, które są trochę cięższe. Skądś trzeba brać siły do życia, więc materia dziwna tworzy swoją masę z energii cieplnej gwiazdy neutronowej. 3C58 to potencjalna dziwaczka. Jak już to ustalą, to Wam powiem :)

Inne kandydatki na Gwiazdy Dziwne/Kwarkowe? Są, a owszem. 'Widzi pani, pani Helu. Ta Martyna spod siódemki to taka dziwna jakaś. I na gwiazdę pozuje, też mi coś!' Nie o takie wszakże nam chodzi, ale w/w są bardziej realne niż te nasze, kosmiczne.

Gwiazdami Dziwnymi mogą być te gwiazdy neutronowe, które są zbyt małe jak na swoją masę (przeważnie na początku bierze się je za gwiazdy neutronowe). Są też supernowe, które wydają się odrobinę za jasne i trwają zbyt długo. A tak dzieje się, znowu prawdopodobnie, kiedy gwiazda neutronowa wybucha drugi raz jako supernowa i zapada się do jeszcze gęstszej Gwiazdy Dziwnej.

W 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana doszło do wybuchu supernowej, która być może pozostawiła Gwiazdę Kwarkową. Gwiazda, która wybuchła, nie była tak masywna, aby stworzyć czarną dziurę, jednakże w miejscu wybuchu nie wykryto gwiazdy neutronowej... I co, i co? A, nico. Na razie nic nie potwierdzono, ani nie zaprzeczono. Bez komentarza. Pewnie rząd USA trzyma Gwiazdę Dziwną w tajemnicy przed ludźmi, a kosmici na pewno już tam dolecieli. A Ruscy...

6. Koniec. I dlaczego nie pisałem tak długo.

No dobrze, nie będę przedłużał, wiem, że wyczerpałem już limit uwagi. Kto dotrwał do końca, ten zobaczy fajny obrazek. A kto nie dotrwał? Po tego przyjdzie rząd USA, kosmici i Ruscy. I zrobią mu koło pióra ;)

A dlaczego tak długo ociągałem się z nowymi postami? Bo mi też zrobiono koło pióra. I nie miałem czym pisać ;)