#48 Rozpad Protonu, czyli Czy Materia Musi Umrzeć?

 

0. Wstęp. Dzień dobry. Jak zdrówko?

Zasypuję postami, ponieważ nie wiem, na jak długo starczy mi baterii (żyjemy przecież w Matrixie, a ja swoje baterie - z partyzanta - wykorzystuję na własny użytek ;)). Niedługo mnie odłączą, wrócę do życia, dlatego jakoś wybaczcie zalew, potop, mam nadzieję, że historia z XVII w. się w obecnym momencie nie powtarza.

Rozpad Protonu wymyśliłem podczas pisania poprzedniego posta, to znaczy nie ja wymyśliłem rozpad, ale za to ja piszę o nim. Dlatego, co nieco już wiecie, czy w ogóle warto to czytać. A skoro czytacie ten tekst, ten, który teraz piszę, uznaliście, że warto, dlatego - sami tego chcieliście, musicie już czytać. Bo Wam się Protony Porozpadają między uszami, i co będzie? Mi się już poluzowały, dlatego mogę dalej klikać to i owo.

Ponieważ trochę przynudzam, opowiem dowcip.

Ale uprzedzam, ten dowcip się je, bo to suchar. 

Heisenberg, Schrödinger i Ohm jadą samochodem. Zatrzymuje ich drogówka.  - Dzień dobry - mówi policjant. - Czy wiedzą panowie, jak szybko jechali? - Nie - odpowiada Heisenberg - Ale za to wiem dokładnie, gdzie jestem.  - Jechaliście 75 przy ograniczeniu do 50.  - No super! - woła Heisenberg - Zgubiłem się!  - Proszę otworzyć bagażnik.... Wiedzą panowie, że mają tam martwego kota? - Teraz już tak, gamoniu! - woła Schrödinger.  - Dobrze, pojadą panowie na komendę.  Ohm stawiał opór.

Boże, jaki ja jestem stary =)

1. Czy rozpad protonu jest możliwy? Możliwe, że jest.

Co ja mogę powiedzieć. O ile rozbicie samych atomów jest możliwe, za pomocą Tłuczka, naszego, Fizycznego i Laickiego, o tyle proton to już insza inszość. Nie zaobserwowano dotąd spontanicznego Rozpadu Protonu w Naturze, w żadnym z detektorów, a jest ich sporo, niektóre polują właśnie na owo tajemnicze zjawisko. I nic! Ile jest protonów w metrze sześciennym wody?

Tyle, ile lat mogłoby minąć, zanim jeden z nich by się rozpadł. 10^30! Kolosalna liczba, 10 i 30 zer.

Wiek Wszechświata w sekundach to 10^18, liczba atomów (nie protonów!) w całym Kosmosie to... 10^80. Trochę więcej, ale jeśli skupić się na czasie, porównanie z protonami powoduje lekki zawrót głowy.

Ok. Liczby liczbami, ale wiadomo, ważniejsze są pojęcia i cała otoczka.

Jak poluje się na Rozpad Protonu? Dlaczego to takie dziwne, że poszukuje się go jak igły w stogu siana? Czy jest możliwy? Czy jest możliwy? Noooo...

Oto wspaniała grafika!

Jest ich naprawdę dużo, jak na tym obrazku, nie mogłem się doliczyć... Ale za to - inaczej niż na zdjęciu - każdy proton, nie ważne, czy atomu wodoru czy prazeodymu, jest taki sam! Ta cecha jest wspólna dla cząstek, podobnie ma się rzecz z elektronami. To znaczy,, że na 10^80 protonów we Wszechświecie każdy jest identyczny, dosłownie.

Szuka się tegoż Rozpadu bardzo długo, a do eksperymentów używa się naprawdę dziwacznych instrumentów pomiarowych. Otóż w przypadku poszukiwania Rozpadu Protonów, jako przyrząd pomiarowy służy... zbiornik, a właściwie cysterna na wodę. Świetna sprawa, nalać wody do butelki, usiąść i czekać 10^xy lat, aż się woda rozpadnie =) Ten detektor nazywa się Super-Kamiokande i znajduje się w Japonii.

Jednak jeśli Rozpad Protonu stałby się faktem, potwierdziłaby się teoria o unifikacji sił fundamentalnych. To tzw. GUT - Gran Unification Theory, Teoria Wielkiej Unifikacji. W wielkim skrócie, hipotezyzuje się, że przed erą jonizacji a zaraz po Wielkim Wybuchu 3 z 4 sił fundamentalnych (elektromagnetyzm, grawitacja, silne i słabe oddziaływania jądrowe) były zespojone w jedną siłę.

3 z 4 - niestety grawitacja nadal poza podium. To znowu wskazuje, że jest ona lekko inna niż 3 (opisane za pomocą kwantowych teorii pola) pozostałe - to taka moja prywatna teoria, mam hopla na punkcie kwantowej grawitacji, ale dopuszczam możliwość, że być może grawitacja działa na specjalnych, innych prawach. Kiedyś, jak się bardziej wzruszę, opiszę co mi leży na sercu.

2. Wiek protonu... może się wahać. W zależności od stanu naszej wiedzy. A gdy proton się rozpadnie - będzie GUT! Sehr gutt!

W zależności od postępu prac nad GUT, szacowany wiek Rozpad Protonu to 1030 lat > 1030000 lat >... Spokojnie, dobrniemy do tego również.

Rozpadowywanie się protonu potwierdziłoby teorię o wielkiej unifikacji sił. Wielka unifikacja sił. Właściwie możliwa jest tylko w przypadku wielkich energii i olbrzymich temperatur. Siły, każda z osobna, mają swój unikalny 'rys' cząsteczkowy; tak jak różnego rodzaju klocki tworzące wspólnie, i tylko wspólnie pewien regularny kształt, ale tylko, gdy podsmażymy je w piekarniku. Dopiero odpowiednio przypieczone sprawiają wrażenie jednolitych. Niestety, wymagałoby (owo skupienie sił) olbrzymich energii, których nie jesteśmy w stanie osiągnąć nawet w najsilniejszych akceleratorach cząstek.

Ale, po kolei.

Kwarki to podstawowy budulec materii, czyli neutronów i protonów właśnie. Teorie Wielkiej Unifikacji zakładają, że gdy siły były scalone, kwarki były nierozróżnialne od leptonów (np. takich elektronów). W sposób spontaniczny mogły one przekształcać się w swoje alter ego leptonowe, kwark w elektron. Kiedy zachodzi sytuacja, że kwark spontanicznie przechodzi w elektron, proton od razu by się rozpierdniczył. To samo tyczy się neutronów - i na to właśnie polują nasi skośnoocy bracia w Super-Kamiokande.

Z tym GUTem to ciekawa sprawa. To rodzaj symetrii, jaka istniała w pierwszych chwilach istnienia Wszechświata. Jednak, teorie (bo jest kilka) GUT, mają siwe skronie i obawiają się panowie fizycy, że mogą nie być prawdziwe, skoro nawet tak potężne detektory nie mogą potwierdzić ich prawdziwości w postaci Rozpad Protonu.

Jednak są piękne w swojej matematycznej konstrukcji. Fizycy mają słabość do pięknych teorii, może to pochodna ideałów platońskich - Prawdy, Dobra i Piękna? Gdyby GUT był prawdziwy, a jest piękny, byłaby to dobra teoria =D

3. GUT w swoich założeniach oraz dalej walimy w protony młotkiem.

Te symetrie w początkach Wszechświata są swoistym kuriozum; na początku mogło być tak, że pomimo swoich różnic, każda z sił pasowała swoją konstrukcją matematyczną do pozostałych dwóch. Razem Tworzyły jedną Siłę, taką elektro-słabo-silną. Wyobrażacie sobie elektromagnetyzm, siłę jądrową słabą i silną jako jedną Siłę -  odpowiadającą za wiązania kwarków w protonach, fakt, że można coś zobaczyć oraz rozpad promieniotwórczy? Jak niesamowicie misterna musiałaby być, wiedzą dobrze panowie eksperci, którzy zaprojektowali GUT. Strach powiedzieć co by było, gdybyśmy zobaczyli dowody jej istnienia albo, co lepsze, zobaczyli, jak działa taka Siła. Już sam jej obraz musiałby zapierać dech w piersiach. Albo... Czy tak rozpadłby się proton? =D

Po ostygnięciu Wszechświata musiałoby dojść do spontanicznego złamania tak pięknej Symetrii. Jeśli uznać SuperSiłę jako wodę, taką samą w każdej cząsteczce, to lodem musiałoby być złamanie symetrii, ponieważ lód to już kryształy, które mają układ równomierny, ale rozróżnialny w odmiennych kierunkach.

Trochę komplikacji. Jeśli siła jest symetryczna, to samo musi dotyczyć kwantów jej pola.

Weźmy siłę jądrową silną, odpowiedzialną za wiązania kwarków. Jeśli byłaby ona symetryczna, kwarki w różnych 'kolorach' (a protony i neutrony są tworzone przez 3 rodzaje kwarków, o różnych 'kolorach', to tylko nazwa, tak naprawdę chodzi o ich ładunek) pozamieniane miejscami 1 z 2, 2 z 3 a 3 z 1 (powiedzmy, że tak wygląda symetria w sile jądrowej silnej), nie sprawiłby ów fakt różnicy, jeśli chodzi o budowę protonu. To samo tyczy się 5 z pozostałych 6 rodzajów kwarków. Tak działa symetria, zarówno w przypadku siły jądrowej silnej, jak i słabej, tylko w drugim przypadku mamy do czynienia z innym rodzajem oraz kolorem, czyli ładunkiem. Kombinacje kolorów i rodzajów kwarków dają nam całkiem spore możliwości kombinacji, jednak tylko wybrane z nich tworzą proton i neutron.

Wszystko, oczywiście, w obrębie równań tworzących podstawę do opisu matematycznego siły fundamentalnej, jaką rozpatrujemy.

4. Schodki.

GUT to nie jedna teoria, to kilka jej wersji. Cała żonglerka kwarkami polega na formowaniu jednej siły, szukania w niej symetrii układu kwarków, łączenia jej z drugą siłą, która została potraktowana podobnie jak pierwsza. Następnie szukanie symetrii w całości, w oparciu o nośniki siły. I tak trzy razy, szczęśliwie, czy nie, wbiliśmy 12 cząstek i mamy jedną siłę złożoną z trzech, odporną na manipulacje względem pewnych osi symetrii. A, do tego opisaną jednym, skomplikowanie groźnie pięknym wzorem siłę fundamentalną. Dodajmy ekstremalne temperatury, i - voila! Mamy przepis na kisiel w garnku każdego szanującego się fizyka =)

12 cząstek. Plus 12 wynikających, dodatkowych kuleczek kulających się gdzieś, na boku, jako naturalny efekt równań, potrzebnych do istnienia siły i jej nośników. A jest ich wszystkich 24, całe ZOO bizonów, mizionów, glutonów i skwarków!

Świetna sprawa - złamanie symetrii. 12 z domniemanych składowych siły scalonej istnieje do dziś w pierwotnej postaci, ale co z 12 pozostałymi? A to one mogłyby być odpowiedzialne za Rozpad Protonu.

Otóż, mogą istnieć, ale w postaci bardzo słabych cząstek, niewykrywalnych, ponieważ bardzo ciężkich, a co za tym idzie - LHC nie wybuliłoby się na rachunek za prąd.

Jako że Super-Kamiokande 'ocaliło' Rozpad Protonu i stwarza nadzieję na jego wykrycie, jest oczkiem w głowie nie tylko japońskich fizyków. Ocaliło nadzieję, jednak rozwaliło wiodącą teorię GUT, a, co za tym idzie, szanse na 1000 letni bądź 1000000 letni czas... Rozpad Protonu! Oczywiście, oczywiście, bo cóżby innego w temacie o... Rozpadzie Protonu? =) Obecnie manipuluje się symetriami w tę i we w tę, aby tylko nie stracić z oczu piękna matematycznej teorii, symetrii 'obrotu', dlatego teorie symetrii dla cząstek z Modelu Standardowego mnożą się jak króliki. Jedną z teorii próbującą upchnąć istniejące albo dodać kolejne cząstki, aby tylko teoria unifikacji i trzech sił w jednej mogła oślepić ich blaskiem swej chwały.

5. Schodki w dół, a raczej runięcie w dół z hukiem.

Hmmmm, GUT jest, eeee, tzn. dobrze jest! Mamy Jakieś teorie symetrii, nie mamy rozpadu protonu, wiemy jak przebiega, wiemy też, że fizycy to nie turpiści tylko śniący na jawie idealiści. To bardzo dobrze!

Ale gdyby tak skrócić ich cierpienia i powiedzieć, że np. jakaś teoria mogłaby być brzydka? Są brzydcy ludzie. Są też głupi. Ale czy są brzydcy i głupi? To już rzadkość. A fizycy teoretycy chcieliby ładnych i mądrych. Tak jak rzadko się zdarza ktoś mądry i ładny, brzydki i głupi, tak teorie mogą być GUT, ale sehr GUT... na takie luksusy może nie warto się porywać? 

Zawsze zastanawiała mnie koncepcja teorii fizycznych, a właściwie teoria teorii fizycznych =D Że musza być proste, bo Natura lubi prostotę. Albo, to umiłowanie do symetrii, piękna w matematyce, szukania czegoś, co jest i proste, i... piękne, i mądre, i w ogóle, super, super hiper! Czy takie rzeczy istnieją? A gdyby tak poszukać prostej, ale brzydkiej? Pięknej, ale skomplikowanej?

Może tak łatwiej byłoby dotrzeć do tej Prawdziwej =]

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

#47 Kosmicznych Jaj Ciąg Dalszy, czyli Czarne Karły

 

0. Wstępnie - przynudzę Wam.

Czarne Karły.

Jak ja lubię tę nazwę. Znam Ludzi, którzy na samą nazwę padają ze śmiechu. Bo jak można nazwać gwiazdę o wielkości Jowisza karłem?

Karły to bardziej krasnoludki, skrzaty, może Pigmeje, w porywach. Ale nie gwiazdy, prawdaż? =]

Dlaczego Karły. I dlaczego czarne? Może po to, żeby ich nie było widać, bo Czarny Karzeł to naprawdę niezły kawał gwiazdy. I to nie jest żart-kawał, tylko wielka i ciężka jak jasna cholera, skupiona materia, wypalony olbrzym termojądrowy, który, na domiar złego, jest stary. Bardzo stary, lat ma rzędu 10^xy, czyli niewyobrażalnie dużo. Zaraz się dowiecie wielu ciekawostek, precyzyjniej określę ich miejsce w Kosmosie, tylko uważajcie na swoje teleskopy, bo Czarnych Karłów dostrzec niemal nie sposób. O ile w ogóle. Mission Control - Ready to Launch... =)

1. Czarne Karły nie istnieją... jeszcze.

Czarne Karły to hipotetycznie ostatnie stadium ewolucji dla wielu gwiazd, zależnie od wielkości. Nie emitują światła, są zimne, czarne i stare. Jeśliby dało się wykryć je obecnie, oznaczałoby to, że Wszechświat wcale nie ma 14 miliardów lat. Musiałby mieć... kwadryliony lat, bo tyle czasu musiałoby upłynąć, by uformował się Czarny Karzeł. 

Pierwszy powstałby się karzeł biały, pośrednie stadium wymierania, ponieważ biały wydziela ciepło. Ale nie jest to ciepło pochodzące z procesu termojądrowego, jaki znamy z wydajnego Słońca, na przykład, tylko po prostu swego rodzaju poświata cieplna. Kiedy biały karzeł całkowicie się wyziębiłby się, można by rzec, że jest gotowy na transformację w Czarnego, starszego kuzyna. Czarny Karzeł to tak jakby totalne zero energetyczne i świetlne. Jedyna jego własność, która mogłaby pomóc go wykryć, to olbrzymia masa i powstała z niej niecka grawitacyjna, czyli zakrzywiona przez masę czasoprzestrzeń.

Są totalnie hipotetyczne. Te Czarne Karły. Bo jesteśmy prawie całkowicie pewni, że Wszechświat ma te ~14 miliardów lat. A ile to kwadrylion? To astronomiczna liczba. Jeśli miliard to 10^9, kwadrylion zawiera się w obszarze 10^24. Niestety, aby wyobrazić sobie różnicę, potrzebowalibyśmy wizualizacji, bo nasze mózgi nie przywykły do myślenia w kategoriach logarytmicznych. 

To cecha ludzi w izolowanych plemionach, ale oni mieliby problem z matematyką takich liczb. Dzicz z Zachodu widzi zera po dziesiątce i myśli, hmmm, to prostu jakiś tam milion, w porywach miliard więcej. 10^9 i 10^24 różni fakt, że 10^24 równa się około... 10^9 * 10^* 10^9. Potęgi się sumują, otrzymalibyśmy liczbę 10^27, zbliżoną do 10^24. Pomyślcie sami: wiek Wszechświata * wiek Wszechświata * wiek Wszechświata... Pod koniec tematu udostępnię link do materiału, w którym poruszam temat liczb, w dość obrazowy sposób, łatwiejszy do opanowania lub uzyskania pojęcia o skali różnicy. Houston, mówiłem, że będą turbulencje... =]

Dlatego {powyższy akapit lepiej jeszcze raz przeczytać proszę} - Czarny Karzeł jest hipotetyczny. 

2. Ewolucja. I znowu ta synteza termojądrowa, robi się gorąco =)

Są jeszcze karły brązowe, ale kolor nieciekawy, dlatego nie interesujemy się nim. Ewolucja gwiazd, hmmm, zastanawiam się, czy warto brnąć w szczegóły, przecież można sobie znaleźć grafikę w Necie, np. wpisując 'www.czarnykarzeł.com'.

Niestety, po drodze do czarnego karła stoi parę przeszkód. Synteza termojądrowa to łączenie protonów i neutronów w dalsze, coraz to cięższe pierwiastki. Dwa jądra wodoru syntezują się w jedno jądro helu, to prosta chemia, dlatego ją także pominiemy. Przy okazji wydziela się energia, niewyobrażalnie duża {zgodnie z równaniem: E(nergia) =m(asa) * c^2 (prędkość światła)}, ale jądro gwiazdy jest coraz cięższe. Gdy synteza sprawia, że żelazo zostanie osiągnięte jako 56 w kolejności, naprzeciw wychodzi fizyka kwantowa. Jej prawa nie dopuszczają do syntezy jeszcze cięższych pierwiastków. Do owej reakcji - cięższych pierwiastków - potrzebna byłaby dodatkowa energia, czyli, właściwie, bilans energetyczny zostałby zachwiany. Elektrostatyka, czyli potrzebne ściśnięcie protonów, odpychających się przecież swoimi plusikami, także nie pozwoliłoby na wydajne syntezowanie cięższych pierwiastków. A, Zakaz Pauliego. On także nie służy dalszej syntezie, elektrony zajmują coraz to nowe powłoki, zapełniając wszystkie dostępne, 'niekolidujące' ze sobą stany kwantowe. Aż do żelaza, które ma największą energię wiązań... Dalsza synteza termojądrowa jest procesem stratnym energetycznie dla gwiazdy, dlatego zazwyczaj, gdy uformuje się żelazo, następuje kolaps grawitacyjny i wybuch supernowej.

Żelazo po prostu nie może być paliwem dla gwiazdy - jest za ciężkie. To coś w rodzaju trucizny, albo, jak w przypadku gwiazd neutronowych albo kwarkowych - 'dziwadełko', działa jak wirus, zamieniając w materię dziwną cały zapas neutronów. Pamiętacie? Temat #2 i #13! {[gwiazdy.neutronowe] / [gwiazdy.(kw)Arkowe].

Po drodze jeszcze jeden kłopot: rozpad protonu. Temat arcyciekawy, dlatego przy obecnej okazji obwieszczam - spotkamy się z protonem w osobnym temacie. Obiecuję, że włosy staną Wam dęba, bo mnie już palce świerzbią, młotek gotowy, aby rozbijać atomy w piwnicy, Tłukiem, Młotkiem, itp.

Dlatego - mamy już jedną informację, Czarne Karły miałyby jądro z żelaza.

Biały karzeł -> brązowy karzeł [fuuu] -> gwiazda żelazna [mdli mnie, czuję metaliczny posmak w ustach] -> Czarny Karzeł. Po drodze wszystko może jeszcze wybuchnąć w supernowej, w zależności od zawartości żelaza, masy gwiazdy, oraz czarności, tudzież karłowatości Czarnych Karzełków )o.0(. Zasada jest prosta - gwiazda wypala paliwo, w zależności od masy wybucha jako supernowa albo, w procesie tzw. degeneracji materii, przechodzi w stan coraz większej zawartości żelaza. Jeśli robi się 'gorąco' - gwiazda zapada się pod własnym ciężarem, i w zależności od masy, wybucha jako supernowa. Za dużo żelaza - bum, supernowa.

Jeszcze jeden fakt. Synteza termojądrowa może mieć swój modus operandi na bazie syntezy 'ściskania' - ścieśnianie atomów żelaza, w zależności od gęstości materii. 

3. Śmierć termiczna Wszechświata.

Przewiduje się, że końcowe stadium, w zależności od geometrii czasoprzestrzeni, bo jeszcze nie jesteśmy pewni, jaka jest, może wyglądać tak, że pozostaną tylko czarne dziury, pusta przestrzeń, oraz wypalone do resztki, do ostatniej reakcji termojądrowej, karły - czarne, lub gwiazdy żelazne. Jeśli Wszechświat ma przed sobą nieskończony czas, stanie się zimnym i całkowicie ciemnym miejscem. Nie chcę wchodzić w detale termodynamiki, entropii i geometrii czasoprzestrzeni w szczegółach, Boltzmann się powiesił (twórca termodynamiki), Einstein nie żyje (a może nie, jak Elvis?) - ja zamierzam jeszcze trochę z Wami 'poklikać', dlatego - może kiedy indziej =) 

Proszę mnie nie naciągać na temat o termodynamice, entropii itp. Mogę obiecać Magnetar, ale entropia, ech. Też się skuszę. Bo jest arcyciekawa. Tylko, że wymaga poruszenia pokrewnych tematów - Strzałki Czasu, Zasady Przyczynowo-Skutkowej... Wedle życzenia, czekam na Wasze propozycje =]

Zimno. Ciemno. Wszechświat nie żyje. Czarne dziury, Czarne Karły, próżnia. Całkowite rozproszenie energii i materii, czasoprzestrzeń rozciągnięta do granic możliwości, do pęknięcia podszewki Rzeczywistości, czyli struktury, o poznanie której walczy obecnie teoria zwana Pętlową Grawitacją Kwantową { [kwantowa.grawitacja] }. Fajnie. Ale to jutro, kochanieńcy, jutro.

4. Szybki przegląd zaległych tematów do powtórzenia /o.0\

W przypadku olbrzymiej masy i gęstości [duża masa gwiazdy = duża zawartość żelaza, albo reakcje termojądrowe na drodze tunelowania i wytwarzanie ciężkich pierwiastków], nawet białe karły eksplodowałyby w postaci supernowych. Nie chcecie wiedzieć, w jaki sposób by do tego doszło.

Ja wiem, ale nie powiem =). Dobra, lecimy dalej.

Jądro Czarnych Karłów składałoby się z węgla i tlenu, z dużą zawartością żelaza; rozmiar - około Ziemskiego Globu. Tylko o masie Słońca =) Potężna gęstość w środku, i mamy Gwiezdne Kuriozum.

Jeśli białe karły to swego rodzaju 'popiół', tlący się i żarzący, aż do wyczerpania całej energii cieplnej, to... Skąd ona pochodzi, ta energia cieplna, skoro gwiazda jest wymarła, jest swego rodzaju pośmiertną formą aktywnie termojądrowo gwiazdy? Otóż ciekawostką jest fakt, że nawet w białym karle może jeszcze zachodzić reakcja termojądrowa. Ale tylko na zasadzie... tunelowania kwantowego! {[tunelowanie.kwantowe]}.

Tunelowanie kwantowe to bardzo rzadkie zjawisko, jeśli brać pod uwagę spontanicznie jego zajście. To znaczy, że spontaniczne tunelowanie kwantowe wymaga bardzo długich interwałów czasowych. Fuzja zachodzi nawet przy temperaturze zera bezwzględnego! To właśnie kierunek ku Czarnym Karłom. 

5. Od zdziwienia ku przerażeniu...

Jak długo musiałaby gwiazda wypalać swoje paliwo, aby osiągnąć stan Czarnego Karła, który wybuchłby w supernowej?

10^1100 lat.

Hipoteza ryzykowna, ale - niesłychanie działająca na wyobraźnię, tak mało prawdopodobna, że aż prawie niemożliwa, ale umysły... mamy nadal otwarte, bo na tak totalnie ekstremalne hipotezy może zareagować tylko logiczny i otwarty rozum, zareagować w sposób... dopuszczający ją do wiadomości =] Aczkolwiek to Gwiazdy, jakie wyobrazić sobie można tylko nie będąc ignorantem. A dopuścić możliwość ich istnienia - oto wyzwanie dla Umysłu.

Taką możliwość warto sobie uzmysłowić, jednak ową sytuację przewiduje się jedynie dla 1% obecnie istniejących gwiazd. 

I co Wy na to? Na to, że jeśli Czarne Karły wybuchłyby w postaci supernowych, byłoby to prawdopodobnie ostatnie zjawisko, jakie zaszłoby w naszym Wszechświecie...

Światło nie dochodziłoby od jednego Czarnego Karła do drugiego, dlatego nic nie byłoby widać. Wydaje się, że nawet czarne dziury po prostu by... wyparowały.

5. Czas kończyć - to Czas Końca i Koniec Czasu.

Na końcu czas na zadumę, 10^24, 10^1100 lat? Kto to wie, jak to długo, znacie pojęcie googol lat? To już wiecie, skąd wzięła się nazwa Google. Zapraszam do wyszukiwarek, żeby zapoznać się z liczbami, ta końcówka została sponsorowana przez literkę 'G' jak Liczba Grahama. Proszę ją sprawdzić, a zorientujecie się, że faktycznie jesteśmy Laikami, i to w porywach =)

P.S. A oto obiecana mózgo-rąbanka -> { 52! }.

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

#46 Grawastary, czyli Kosmiczne Ogry Też Mają Warstwy

 

0. Wstęp.

Ponownie odsłonię przed Wami przepastne, nieprzebrane wręcz arkana astrofizycznych zjawisk, jakie wykraczają poza wyobraźnię niejednego Fizyka, a co dopiero nas, Laików. Dlaczego akurat Grawastary? 

To bardzo ciekawe obiekty, ich właściwości wydają mi się daleko bardziej interesujące niż te, które cechują czarne dziury. Owszem, nie są tak te Grawastary obecne w świadomości masowej jak ich mroczne odpowiedniki. Na dodatek, Grawastaru jak dotąd nie zaobserwowano, dlatego nazywamy te obiekty hipotetycznymi gwiazdami. Z gatunku 'Kosmicznego Sci-Fi', jednak są o tyle fascynujące, że rozważane są jako alternatywne rozwiązania, z uwzględnieniem poprawek kwantowych oraz problemu paradoksu informacyjnego, równań dla czarnych dziur. A pochodzących oczywiście z Ogólnej Teorii Względności, którąśmy to już się dawno naumieli. 

Alternatywa. To tak jakby powiedzieć: 'Dzień dobry, czy mogę poprosić nóż w plecy?', 'Niestety nie mamy noża, ale mogę Panu/Pani wbić w plecy widelec. Będzie boleć może nie tak samo, ale za to nie tak pospolicie'. Bo przecież czarna dziura to monstrum. Pożera i zakrzywia światło, samą czasoprzestrzeń tylko zakrzywia, no a le i tak - szacun! A przecież to nawet nie obiekt, to obszar czasoprzestrzeni, zawiera tę słynną już osobliwość, jest domniemanym i dosłownym końcem Czasu {tak wynika z rozwiązań OTW}. Jeśli Wielki Wybuch można brać pod uwagę jako Jego początek.

Grawastar to taka czarna dziura z modyfikacją. Nie posiada takich samych właściwości, ogólnie rzecz biorąc, jest podobny, ale w szczegółach różni się, i to w sposób zupełnie unikalny. Dość powiedzieć, że podobnie jak inna hipotetyczna gwiazda, bozonowa, jest transparentny, czyli... promieniowanie może przenikać przez warstwę zewnętrzną i tzw. powłokę. Moglibyśmy zobaczyć co ma środku, ale zapewniam, że jajko niepodzianka to mało co można by powiedzieć o Grawastarze. Co i jak, dlaczego i po ile, dowiecie się już za momencik.

1. Momencik mija, zaś Grawatsar się rozwija.

To właśnie problem horyzontu zdarzeń i paradoksu informacyjnego {faktu, iż coś wpada do czarnej dziury i jest niszczone bezpowrotnie, informacja zostaje stracona, jest niezgodne z założeniami mechaniki kwantowej} sprawił, że zaczęto szukać alternatywnych rozwiązań równań Einsteina.

Grawastar to skrót od Grawitacyjnej Gwiazdy Próżniowej. Tak w skrócie, może nie jest to oficjalna nazwa, bo najczęściej mówi się po prostu Grawastar, chodzi bardziej o cechy niż o ścisłość w tłumaczeniu. W skrócie - jak może powstać, potem - czym jest, a na końcu - co mógłby nam zrobić Grawastar. Co mógłby nam zrobić, doskonale da się przewidzieć - Ziemia w zetknięciu z wymarłą gwiazdą tego rodzaju zostałaby po prostu wessana i niewypluta.

Grawastara to efekt końcowy procesu wymierania gwiazdy, która traci swoje paliwo wodorowe. Niestety, po drodze do przepoczwarzenia się w czarną dziurę powstaje mały psikus. Zachodzi tzw. przejście fazowe i wytwarza się ciemna energia. Ciemna energia została poruszona i żywcem opisana w moim poprzednim wystąpieniu publicznym w formie tekstowej w 2 kolejnych wcześniejszych tematach - #45 i #44 - kiedy biedziłem się nad Gwiazdami Ciemnymi i Gwiazdami Bozonowymi. Dlatego słuchajcie uważanie, bo nie nie będę powtarzać =)

Ciemna energia to coś jakby negatywna, ujemna energia. Gdyby uwzględnić grawitację jako siłę, i oczywiście przyznać jej właściwości przyciągające, ciemna energia robiłaby coś odwrotnego. Jest to bardzo ulotna, i, właściwie, przy zastosowaniu obecnej aparatury pomiarowej, niemożliwa do wykrycia forma energii. Jednak wypełniałaby wnętrze Grawastaru, nie pozwalając mu na kolaps w nieskończoność z punktu widzenia obserwatora zewnętrznego.

{Czarne dziury, widziane z zewnątrz, zapadają się nieskończenie długo; to pochodna zakrzywienia czasoprzestrzeni i dylatacji czasu, jak również jego relatywistycznych właściwości, bo obiekt wpadający do czarnej dziury poza horyzont zdarzeń widziałby ją zapadniętą, z osobliwością na końcu, ale po jakimś czasie, wewnętrzno-czarno-dziurowym, doleciałby do Końca Rzeczywistości i Czasu. Osobliwości, poezja mi się włącza}. Czyli - Grawitacja ciągnęłaby Grawastar na randkę w nieskończone zapadanie się {pewnie ze wstydu!}, a ciemna energia mówiłaby - hola, hola, stać i nie zapadać się, wstyd nie wstyd, siedzieć na miejscach. Nic byśmy nie zobaczyli, spokojnie. Efekt taki sam jak z czarnymi dziurami - pochłanianie światła. Jednak dałoby się usłyszeć cichy pomruk, a właściwie ponure dzwonienie fal grawitacyjnych. Podglądacze i podsłuchiwacze Ci naukowcy, zaś ciemna energia to chyba ich sojusznik. 

Ugięcie i pochłanianie światła, zatrzymany kolaps, ale brak horyzontu zdarzeń - niby wszystko na widoku, ale nic nie widać. Ale uszy do góry =)

2. Grawastary Wszechświata, dać głos! Nic nie widać!

Grawastar to po prostu czarna dziura, której coś przeszkodziło w zapadnięciu się w osobliwość, pod własnym ciężarem. Zatrzymane w połowie drogi do skupienia się w sobie, w stłamszeniu się, w skulenie się i pochlipywanie w ciemnych kątach. Wesoło ma być! Głośne są te Grawastary, echo fal grawitacyjnych da się słyszeć aż na Ziemi, chociaż jeszcze żadnych nie wykryto. 

Czy Grawastary mnie słyszą? Jacyś tacy Panowie za skromni są =) Odgłosy paszczą wydają, a ich nie widać, ciemno, choć oko wykol. I udają czarne dziury, ale koło czarnej dziury - toto nie stało nawet! Słabizna, nie zapadły się, nie zapadły się, terefere =)

Grawastary to, może inaczej rzecz ujmując, rozwiązania OTW w innej czasoprzestrzeni. A konkretniej - są to rozwiązania zaproponowane dopiero w 2001 roku. 

Mamy różne ich modele, ja skupię się na jednym, moim zdaniem najciekawszym.

Użyto w nim tzw. elektrodynamiki Eisnteina-Borna-Infelda, nieliniowej, czyli nie abstrakcyjnej. {abstrakcyjnej, czyli liniowej - zawierającej m.in. wszystkie elementy nie podlegające żadnym ograniczeniom - np. są w niej zagnieżdżone nieskończoności; dlatego mówi się, że Rzeczywistość Fizyczna jest nieliniowa, zaś modele liniowe ułatwiają wyliczenie wartość nieliniowych, których rozwiązania są przeważnie o wiele bardziej skomplikowane niż układów liniowych. O, kurde. Gdy to pisałem, to rozumiałem, co piszę, ale gdy przeczytałem poprzednie zdanie, coś mi w nim nie gra =) Nieliniowy - abstrakcyjny, tak jakby idealny. Nieliniowy - Realny, dla naszej Rzeczywistości typowy, bo nie zawierający elementów nieograniczonych, takich jak ta nieskończoność, na przykład, ten i tamten}.. 

Jednym słowem - bardzo trudnej, realnej {nieliniowej, czyli nie... liniowej =) Mam niezły ubaw pisząc te zdania}, ale za to z uwzględnieniem faktu, że rozwiązania z nieskończonością mogą być błędne, z prostego powodu - np. tego, że nasz Wszechświat może być skończony. Liniowe modele, choć proste w opisie, mogą zawierać niepasujące do naszego Świata nieskończoności; mimo to, ułatwiają zrozumienie {najprawdopodobniej} nieliniowej rzeczywistości fizycznej.

Dobra. Wysiadłem z pociągu na chwilę, muszę przyznać. Ale jak już tu jesteśmy, mogę wrócić na poprzednią stację... =)

Dzięki powyższemu zabiegowi, Grawastar może zachować taką samą strukturę czasoprzestrzeni, bez dostrajania jej parametrów dla wnętrza i zewnętrza, jak ma to miejsce w przypadku innych modeli Grawastarów [np. Mazura-Mottoli, cylindrycznych, pierwotnych], gdzie manipulujemy czasoprzestrzenią, a w zasadzie jej właściwościami. Nie można powiedzieć, że ten zabieg to ostateczne rozwiązanie, ale można uniknąć sztuczek gorszego kalibru. 

Geometria czasoprzestrzeni dla Grawastaru w nieliniowej elektrodynamice jest taka sama wewnątrz, jak i na zewnątrz powłoki. Symetria jest sferyczna, co nie jest typowym i powszechnie stosowanym {w modelach czego, no, czego? Grawastarów, Kosmicznych Ogrów, oczywiście =)} zabiegiem, ale za to nie trzeba kombinować, jeśli chodzi o wnętrze i obszar poza powłoką .

3. [Wtrącenie z mechaniki kwantowej]

{sytuacja podobna ma miejsce w przypadku mechaniki kwantowej; założenia kopenhaskie mówią, że istnieje świat makro, mikro i jakaś tajemnicza granica świata kwantowego i klasycznego; jednak nie bardzo wiadomo, gdzie miałaby się ona znajdować, a nawet... jeszcze nie dowiedziono, że na pewno istnienieje. Gdyby nie fakt, że dzięki zabiegowi Szkoły Kopenhaskiej mechanika kwantowa jest spójna z mechaniką klasyczną, a właściwości kwantowe obserwowane są zgodne z obecnymi równaniami, można poddać wątpliwość zabieg rozgraniczenia świata kwantowego i klasycznego}.

[/wytrącenie z mechaniki kwantowej]

Taką 'magiczna granicą jest sam horyzont zdarzeń. Nie ma go na 'mapie', a jednak jest potrzebny, żeby się zgadzało - równania i obserwacje. Trochę sztuczne rozgraniczenie prawda? No, ale w myśl zasady 'Żeby było dobrze', co ja się będę produkował...

4. Kosmiczna Cebula pokazuje, co ma środku. A ma - Warstwy.

Ogrowate te Grawastary, nie ma co. Już sama nazwa 'Grawastar' - jakaś taka przyciężka, no ale to moje odczucie. Mimo tego - do rzeczy.

Grawastary miałyby składać się z trzech obszarów. 1 - Wnętrze. 2 - Zewnętrze. 3 - Szczypiorek.

Żartowałem, 1. to faktycznie wnętrze. 2. - Skorupa; zaś ostatnim obszarem jest część zewnętrzna. No, i mamy, tak: w środku zupa z ciemnej energii, która nieustannie powstrzymuje Grawastar przed zapadnięciem się do osobliwości. Przeciwstawia się grawitacji. 

Powłoka jest ciekawa. Mamy tam ultrarelatywistyczną plazmę, inaczej mówiąc - 'sztywny płyn'. Robi on 'na złość' ciemnej energii w środku i również powstrzymuje ciemną materię przed wypchaniem wszystkiego na zewnątrz. To byłby Kosmiczny Paw, no ale już wpisałem Ogra =) Jeśli Kosmos to Kosmos, ze wszystkimi czarnymi dziurami, gwiazdami neutronowymi i ciemną materią nawet, to co powiecie na to?

Najlepsze na koniec. Zewnętrzna część to próżnia, i dopiero tam można zastosować równanie Schwarschilda, czyli takie, które opisuje strukturę i zakrzywienie geometrii czasoprzestrzeni dla czarnej dziury. Czarne dziury są relatywistyczne, Grawastary - ultrarelatywistyczne... Gdyby tylko istniały naprawdę =)

Co jeszcze, ręce mi się pocą, gdy to piszę. Brakuje osobliwości i horyzontu zdarzeń, a poza tym to... czarna dziura! Dzięki zastosowaniu innej, nieliniowej elektrodynamiki, otrzymano alternatywę dla czarnej dziury, uniknięto paradoksu informacyjnego i problemu nieskończoności w osobliwości grawitacyjnej! 

A wszystko po to, by równania OTW i ich problem nieskończoności w czarnej dziurze mógł pozostać w mniejszej sprzeczności z mechaniką kwantową, która równie dobrze jak OTW opisuje swój kawałek podłogi. A także po to, by część grawitacyjna z OTW mogła bardziej przypominać coś, co rozumiemy i potrafimy rozwiązać. Albo umieścić na niebie =) Jednym słowem - realniejsze wersje swoich mrocznych i sławnych kuzynek, posiadające ograniczenia.

Takimi ograniczeniami mogą być np. dyskretny czas, albo i odległość, które w przypadku OTW bez modyfikacji 'pod fizykę kwantową' są ciągłe i powodują olbrzymie problemy - problemy z nieskończonościami, które trzeba kasować za pomocą trików matematycznych, takich jak renormalizacja, aby 'było dobrze' =)

5.  Najlepsze na koniec: to już prawie koniec! =)

Powierzchnia Grawastaru jest niezwykle cienka. Dlatego dźwięk rozchodzi się po niej z prędkością światła. Ocho, słyszeliście? To znaczy, widzieliście? Sam już nie wiem =)

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

#45 Bydło w Kosmosie, czyli Gwiazdy Bozonowe

0. Dzień dobry, wieczór, poranek.

Hej!

Dawnośmy się nie widzieli. Nie czytali, nie słyszeli, nie pisali. Popisać to się mogę ja, tam i ówdzie sadzając byka. A raczej Bizona. Aha, bozona. Niby jedna litera różnicy, a jednak. Bizon i bozon? Łatwiej powiedzieć czym się różnią, niż co ze sobą mają wspólnego. Bizon ma rogi, tyle wiem, nie widziałem, dlatego nie będę robił wykładu z biologii stepów amerykańskich. Za to bi... tzn. bozon - ooo, to już bardziej. Bizon, natenczas, ma także to do siebie, że jest trochę większy niż bozon. O całe Niebo większy. O cały step. O całego... ok, nie kontynuuję, bo zbliża się byk, a my tu o bozonach, w porywach bizonach. Nie mogę się powstrzymać, żeby nie wtrącać bizona. Bizon. To też kombajn, musicie wiedzieć.

A skoro już wiecie - Dzisiejsze spotkanie z Fizyką sponsorują literki 'Bi', pierwiastek Bizmut, zwierzę Bizon oraz cząstka elementarna, a właściwie jej typ - bozon. Kurde, powinno być inaczej. To bozon powinien być kapitalną literą, generalną, czyli Wieeeelką, a reszta zwierzyńca z małej. No, ale skoro bizon, ups, bozon jest mały, to niech mu będzie, żeby wzrokowcy nie mieli problemu z odróżnieniem. Tylko podkreślam, Fizyka jest także dla Tłuków, a oni tłuczkiem rozbijają atomy i czasami tłuką się w głowę. Stąd problemy z oczami. A, dobra, niech idą do Lekarza. Od oczu.

1. Czym jest ten bozon, zanim zrobię z niego Gwiazdę Przedstawienia?

Bozony. Są to rodzaje cząstek elementarnych, które, w odróżnieniu od fermionów, jakimi są: kwarki i inne cegiełki, budulce z Modelu Standardowego tworzące materię - te pierwsze są nośnikami oddziaływań. Przecież my tu o Gwiazdach, fizykę cząsteczkową opowiem, dlategoż, w wielkim skrócie. 

Fermiony - materia. Bozony - oddziaływania. Ciekawostka - rozróżnienie i granica w fizyce cząstek elementarnych między energią a masą nie są tak oczywiste, jak mogłoby się wydawać na przykładzie stołu i lampy. Łatwo odróżnić rodzaj tych obiektów - stół to stół, masa, i w zasadzie historia się kończy. Lampa rzuca nam światło - to energia, składa się z fotonów. Za to już w fizyce kwantowej nie jest to takie proste, jak choćby stołowo-lampowy pokój. Tam, jak pisałem w ostatnim poście, materia często dynamicznie przechodzi w energię, a nawet, jeśli chodzi o wiązania wewnątrz jądrowe, energia i związana z nią dynamika, jest w dosłownym znaczeniu odpowiedzialna za masę - gluony wiążą kwarki, które swoją energią i ruchem oddziałują na cząsteczkę, wprawiają ją w swoisty taniec energetyczny;  powoduje on, że wywierane jest ciśnienie, które w większej skali odbieramy jako masę. Albo - często masę cząstek elementarnych mierzy się w elektronowoltach jednostkach typowo energetycznych, albo, idąc dalej, w zasadzie - E=m x c^2. Prawda, że proste? =]

Fermiony to z kolei masa, ogólnie rzecz ujmując. Odnosi się do nich pewna zasada - Zakaz Pauliego. To znaczy, że cząstki nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego. 

Stan kwantowy to pojęcie dość skomplikowane. Charakteryzuje go np. kwantowy moment pędu cząstki, magnetyczna liczba kwantowa, albo spinowa liczba kwantowa. Krótko rzecz ujmując, dwie cząstki nie mogą 'zajmować' jednego stanu kwantowego. Gdyby tak było, elektrony spadałyby na jądro atomowe, zamiast siedzieć sobie na miejscach, na orbitalach. Tam układają się w powłoki, a wszystko za sprawą oddziaływania z masą. Czyli - protonów i neutronów. Choćby nie wiem jak się ścisnęły, nie mogą zajmować tego samego miejsca. 

Albo posiadać takiego samego kwantowego stanu, jak sąsiad. Zasada, a w zasadzie Zakaz Pauliego powoduje, że cząstki materialne są od siebie albo oddalone, albo różnią się pewnymi wartościami kwantowymi. Ciekawa sytuacja zachodzi w gwieździe neutronowej. Tam Zakaz Pauliego nadal obowiązuje neutrony, ale są tak gęsto upakowane, że wytwarza się olbrzymie naprężenie, tak jakby ładunki jednoimienne miałyby się zetknąć, albo scalić. To niemożliwe, prawda? Dwa ładunki dodatnie (w przypadku protonów oczywiście), bardzo blisko siebie, a miałyby zajmować to samo miejsce? Dlatego wyobraźnia podaje nam już rozwiązanie: im bliżej są siebie, tym większe niezadowolenie cząsteczkowe panuje. Tłok, tłum ścisk, ludzie wariują, podobnie jak cząstki. Bo ładunki, liczby kwantowe, czy innego rodzaju stany dotyczące cząstek, muszą się albo odpychać, albo przyciągać. Przecież opisujemy przykład materii! Poziom niezadowolenia wzrasta wprost proporcjonalnie do wzrostu podobieństw. 

Co innego bozony. To energia. Jej nie dotyczy Zakaz Pauliego, mogą się ciasno upakować, w przenośni - zajmować to samo miejsce. Nałożyć się na siebie, jednocześnie zachowując integralność i indywidualizm. Szara masa, tłum podobnych do siebie ludzi jest nudny i smutny. Nie może się na siebie nałożyć, choć wygląda tak samo. Za to energia zachowuje się jak różnokolorowe światło - może złożyć się w jedną wiązkę, nie robiąc sobie szkody, a jedynie wzmocnić, zmienić barwę, albo zwyczajnie sobie poświecić. W oczy. Latarką. Pobudka! Kurde, jak się zapędziłem. Od Gwiazd do kwantów. Czeka nas długa droga z powrotem, do Gwiazd =]

 Bozony to po prostu nośniki oddziaływań.

2. W związku z powyższym, jak zrobić gwiazdę z Bizonów?

Gwiazda niematerialna. Trochę poetycko, ale w istocie tak może być. Proszę pamiętać, że Gwiazd Bozonowych jeszcze nie odkryto, a jedynie przewidziano ich istnienie. Bozony tworzące Gwiazdę? Bizony tak, ale bozony?

Bozony to cząstki przenoszące oddziaływania. Są nimi np. fotony, tymi oddziały-wo-wującymi. Ale także elektrony. Dziwna rzecz, te gwiazdy bozonowe. Można o nich powiedzieć np. to, że podobnie jak gwiazdy neutronowe albo czarne dziury, zakrzywiają geometrię czasoprzestrzeni. To znaczy, że mogą zakrzywiać czasoprzestrzeń wokół siebie, a także być źródłem soczewkowania grawitacyjnego. Co za tym idzie, jeśli, np., skierowalibyśmy przyrząd pomiarowy na gwiazdę bozonową - ujrzelibyśmy to, co znajduje się za nią. Czarne dziury i gwiazdy neutronowe robią to samo. Można im zajrzeć za plecy bez obchodzenia wkoło, żeby im nie było za wesoło. Zróbmy coś jeszcze, dodajmy fakt, że gwiazdy bozonowe są transparentne, ponieważ tworzą je bozony, czyli energia, a nie nie materia. Sprawia to, że soczewkowanie grawitacyjne ulega dalszej komplikacji; to tak trudna matematyka, że lepiej się w nią nie zagłębiać, bo mi się atrament skończy.

A klawisze się popłaczą, czytelnicy sobie pójdą gdzie indziej, a ja będę pisał smutny, sam. Do szuflady, o Gwiazdach Bizonowych. Tu Was mam! Chcielibyście zobaczyć gwiazdę złożoną z Bizona? Albo paru? Luneta, peryskop, cokolwiek, byle nie soczewka czy inne szkło. Może zobaczymy bizona w Kosmosie, w skafandrze astronauty, kto wie. Bo na nie mamy parcie, na szkło i bizony! =]

Transparentne, czyli prześwitujące. Widać na wylot, co jest za nimi, dodajemy soczewkowanie i mamy taki bigos, kosmiczne Bydło w najlepszym wydaniu. Co za tym idzie? Ano to, że jest kłopot. Z jednej strony chcielibyśmy je zobaczyć, a z drugiej - nie wiadomo, co byśmy ujrzeli. Czy wogóle rozpoznalibyśmy, że to, na co patrzymy, to gwiazda bozonowa. A moglibyśmy się, przecież, inaczej nauczyć spoglądać w Kosmos. A, już umiemy. Otóż w tym momencie na pomoc wkraczają... fale grawitacyjne. LIGO, VIRGO, itp.!

3. Fale grawitacyjne a gwiazdy bozonowe.

Przytoczę fakt z niedawnych obserwacji astronomicznych. Otóż do tej pory zarejestrowano około 60 rodzajów źródeł fal grawitacyjnych, przy pomocy obserwatoriów z interferometrami, takimi jak słynne już LIGO, czy VIRGO.

25.02.2021 zarejestrowano bardzo dziwne zderzenie dwóch gwiazd relatywistycznych, czyli wymarłych, zapadniętych w sobie, do jakich zaliczamy czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Jednak rezultatem była gwiazda, a właściwie źródło fal grawitacyjnych, jakie zupełnie nie pasowało do wyliczonych i oczekiwanych efektów tego zderzenia, czyli np. czarnej dziury o określonej masie. Wyskoczyło poza widełki. to wyliczenie =]

Jednak, jako że Fizycy to pomysłowi ludzie, przypisali wynik obserwacji innemu zjawisku. Skoro nie pasuje nam jedno, ale wynik jest dowodem, że zaszło zderzenie, czyli połączenie dwóch obiektów relatywistycznych, nie można wyniku obserwacji pozostawić bez interpretacji, nawet jeśli nie pasuje do modeli. Jedynym pasującym rozwiązaniem równania o nazwie obserwacja zderzenia obiektów o masach podobnych do czarnych dziur powyższego lutego roku bieżącego to gwiazda, której źródłem mogłyby być tylko gwiazdy bozonowe. Gwiazdy hipotetyczne.

4. Co jeszcze o tych bizoniakach można powiedzieć? Bo zobaczyć wiele się nie da.

Światło przechodzi przez nie jak przez maselniczkę, nawet nie jak w masło. Nie posiadają skupionego jądra, jak inne gwiazdy [czarne dziury mają swoje osobliwości, gwiazdy neutronowe materię dziwną] relatywistyczne. To bardzo dziwne, bo potrafią zagiąć światło w horrendalnie trudny do wyliczenia sposób, dając oczekiwany obraz o niewyobrażalnie dziwnym kształcie. ale nie mają horyzontu zdarzeń. Czyli tego punktu bez powrotu. Wydaje się, że mogły odgrywać bardzo istotną rolę we wczesnych etapach po narodzinach Wszechświata, Kiedy Wszechświat się formował, istniały najprawdopodobniej tzw. pola skalarne. Pola skalarne to zagadnienie, które się mieści w ramach naszych krótkich spotkań z Gwiazdami Ciemnymi {#44}; chodzi o fakt, że cząstki skalarne mogą wchodzić w skład ciemnej materii, która stanowi 27% masy całego Wszechświata. Cząstki skalarne, cząstki skalarne. Chcecie? Nie? Dlaczego? Dziwnie brzmi?

Cząstki skalarne - to cząstki, które posiadają wielkości liczbowe, nie wektorowe, czyli takie, które oprócz wartości posiadają jeszcze inną cechę - np. kierunek. To tak, jakby powiedzieć, że skalarna wielkość to liczba, a wartość wektorowa to liczba z pewną dodatkową cechą.

Zatem - cząstki skalarne to takie, które posiadają tylko jedną wartość. Wygląda na to, że są składnikiem ciemnej materii, albo wchodzą w skład dzisiejszych gwiazd, nie jest materią barionową, czyli taką, jaką znamy obecnie. Do tego są ultra lekkie. Bardzo dziwne. Gwiazda złożona z ciemnej materii, prześwitująca, zaginająca światło na nią padające, bez jądra, właściwie oddziałująca z materią tylko przez grawitację.

Szał. 

W zderzeniu obiektów z 25.02 roku bieżącego mamy najprawdopodobniej do czynienia z wykryciem cząstki o masie różnej od zera, jednak bardzo lekkiej. Jak lekkiej? 

W zasadzie nie oddziałuje ona z materią barionową. Jest potencjalnym kandydatem na materię ciemną, masę, ciemną masę, te bizony, proszę Państwa. One pędzą prosto na nas. Co robimy? Ano, nic. Ponieważ to my jesteśmy materią barionową, a gwiazdy bozonowe nie. Ciemna materia oddziałuje bardzo słabo, za pośrednictwem grawitacji, z materią barionową. To fizyka spoza obecnie stworzonego Modelu Standardowego, jednak coś o niej wiemy. Dowiemy się wkrótce zapewne więcej, kiedy pojawią się kolejne wyniki pomiarów lupami w Kosmos. Oczami ze szklanymi soczewkami, szeroko otwartymi ze zdziwienia. Np. oglądając soczewkowanie grawitacyjne przez gwiazdę bozonową. Co zobaczymy? 

Trudno powiedzieć, bo obliczenia zakrzywienia światła przez w/w gwiazdy są skomplikowane, a obraz otrzymany, zapewne, tym bardziej.

Pewnie bizona. Bizmuta. I Bar. Na dziko, oczywiście. Wykoszone Kombajnem Bizon =]

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

#44 Gwiazdy Ciemne, czyli Czarno to Widzę

 

0. Wstępnie - coś powiem.

Na wstępie wprowadzę w arkana mojej działalności. Obecnie pracuje pełną parą, niczym pneumatyczny pociąg, MagLev, mknę w kierunku Gwiazd Ciemnych. Ciemno, choć oko wykol, a ja wiszę nad przepaścią i zbieram dane. Co tam widać? Niewiele. Ale jeśli skorzystać z Tego, co się Ma Między Uszami (poznaliście już magię Wzroku? ;)), można wyciągnąć pewne informacje, coś tam dojrzeć, może jeszcze zapisać.

Internet to taka Czarna Dziura. Można się czegoś dowiedzieć, ale płaci się czasem. Energią, a tę trzeba zachować. Oczywiście na napisanie kolejnej odsłony 'Fizyki Dla Laika Czyli Nauki Dla Tłuka'. A co innego robić? Zupełnie jak poza domem, też są wirusy.

Dlaczego Gwiazdy Czarne, a teraz Ciemne? Bo nikt ich nie lubi, są smutne, że wszyscy interesują się tylko czarnymi dziurami. Warto się im przyjrzeć z bliska, bo często bywa tak, że teorie zapomniane i odrzucone, po latach okazują się właściwe. Nie mówię, że tak jest w przypadkach opisywanych niedawno przeze mnie, ale... Zasada Noża, Widelca, i Brzytwy Ockhama. Odcinamy zbędny medialny szum od czarnych dziur i szukamy alternatyw! Do dzieła =]

1. Hipotetycznie to prawie jak czarna dziura... Tylko większa. Szkoda, że na razie tylko hipotetyczna.

Gwiazdy Ciemne przysłaniają nam rzeczywistość. Nie dlatego, że są Ciemne, jak ich nazwa mogłaby mylnie wskazywać. Jeśli gwiazdę neutronową można by nazwać supergwiazdą, a czarną dziurę rozgwiazdą, to Gwiazda Ciemna byłaby Hipergwiazdą. Wielu astrofizyków dałoby się pochlastać, żeby tylko je zobaczyć, a na pewno zapłaciliby wiele bitcoinów, żeby w ogóle istniały. Przewiduje się, że we wczesnych wiekach istnienia Wszechświata wszystko wyglądało trochę inaczej. Mówi się o tzw. pierwotnych czarnych dziurach, które istnieją do dziś, ale są jeszcze mniej sympatyczne od swoich zwykłych, czarnych sióstr.

Co do Gwiazd Ciemnych... też są pierwotne. Też mogłyby dotrwać do dziś, w niezmienionej formie, i być odmiennym typem gwiazdy, zupełnie różniącej się od zwykłych nadolbrzymów, białych karłów i reszty gwiezdnej menażerii.

2. Historyczny i strukturalny rys.

Gwiazdy Ciemne są bardzo jasne. Do tej pory nie zostały wykryte jako obiekty podobne do innych ciał niebieskich, są po prostu przewidywaniem pewnych teorii, głównie związanych z początkami istnienia Wszechświata oraz obecności tzw. materii ciemnej.

Jak powszechnie wiadomo (u nas nie, my jesteśmy świeżaki, każdy Laik pewnie czeka na temat o ciemnej materii, ale nie od razu Kraków czy Naukę dla Tłuka zbudowano), ciemna materia to około 26% całej masy we Wszechświecie. Inna sprawa to ciemna energia - 69% naszej Całości, masy energetycznej. 

Jak energia może stanowić o ilości materii? Otóż musicie wiedzieć, że materia, czyli obecność masy, to nic innego jak oddziałująca, wręcz buzująca energia. Nawet na poziomie cząsteczkowym, jeśliby zajrzeć w strukturę hadronów, okazałoby się, że kwarki poruszają się nieustannie, odbijając się od siebie i wywierając ciśnienie na strukturze cząsteczki, którą tworzą. Stąd obserwujemy istnienie czegoś takiego jak masa. Jest to nic innego, jak siła, jaką wywiera energetycznie naładowana cząstka na strukturę hadronu.

Inna sprawa, że nigdy nie zaobserwowano swobodnych kwarków, najmniejszej cegiełki, jaka tworzy materialne cząstki. Zawsze występują w towarzystwie innych, siła jądrowa silna powstrzymuje je przed ucieczką od towarzystwa. Kwarki spajane są gluonami, nośnikami siły jądrowej silnej. Zaś gluon i kwark (w swoich pięknie nazywanych odmianach) po drugiej stronie równania generuje cząstkę, taką jak proton czy neutron [to te hadrony; niekoniecznie muszą być to akurat protony i neutrony, jedyne składniki jądra atomowego. Jest ich wiele więcej rodzajów].

Ciemna energia to sprytna rzecz. Mówi się, że generuje siłę odpychającą, przeciwdziała grawitacji i powoduje, że nawet galaktyki nie zapadają się same w sobie, pod własnym ciężarem. Niestety, ona także jest hipotetyczna. Dlaczego?

Ponieważ nie oddziałuje z materią barionową, czyli tą, która tworzy 5% pozostałej masy Wszechświata, widzialnej materii. Powyższy proces zachodzi jedynie za pośrednictwem grawitacji, enigmatycznej i niepoznanej jak żadna inna siła. Dlatego mamy: hipotetyczną energię, oddziaływującą z jedynie 5% masy Wszechświata, za pośrednictwem najgorzej poznanej siły.

Jakby tego było mało, rzucam Wam na głowy Gwiazdy Ciemne. Sweet enough? =]

Historycznie sprawa ma się następująco: Gwiazdy Ciemne to prastare twory, jeszcze z epoki formowania się gwiazd, ale zasilane materią ciemną. Nie barionową, ale tą 26% ilościowo masą energetyczną, niewidzialną masą Wszechświata. Są tak masywne, że mogą zaginać światło, powodując efekt tzw. soczewkowania grawitacyjnego. Ale z powodów wymienionych powyżej, nie da się ich wykryć bezpośrednio, jedynie za pomocą specjalnych modeli.

Jednym z najlepszych obecnie kandydatów na cząstki ciemnej materii to tzw. WIMPy (nie wampy ;) z wampirami jednak mają to wspólnego siebie, że są słabo wykrywalne, szczególnie, kiedy jest tak ciemno jak w bezkresnych przestrzeniach międzygwiezdnych). Weakly Interacting Massive Particles - Słabo Oddziałujące Masywne Cząstki.

3. Co z nimi tak, a co nie, czyli dlaczego jeszcze nie zobaczyliśmy Gwiazd Ciemnych?

Jeśli Gwiazda Ciemna składałaby się z cząstek WIMP, stanowiłoby to dla astrofizyków nie lada wyzwanie. WIMPy oddziaływałyby bardzo słabo z barionową materią, na dodatek pojawia się problem ładunku.

W tzw. teorii supersymetrii każda cząstka ma swoją antyczastkę, czyli bizona o przeciwnym ładunku. I dlatego taki WIMP musiałby mieć również swojego rywala - kogoś o znaku plus, wtedy, kiedy on jest na minus. Ale...

WIMPy nie posiadają ładunku elektrycznego. Dlatego są same swoją antycząstką. Patrzą w lustro, lewa ręka taka sama jak prawa, czyli lewa to lewa, ale w lustrze powinna być odwrotna, a nie jest... odbicie w lustrze zgadza się z obiektem realnym w 100%. Czyli po prostu - jakby tego odbicia nie było. Po prostu Wampir!

Gwiazdy Ciemne są prawdopodobnie pierwszymi gwiazdami, jakie w ogóle powstały. Zwykłe gwiazdy zasila fuzja jądrowa. To coś w rodzaju reakcji termojądrowej - wodór łączy się z helem, przy okazji powodują wydzielanie olbrzymich ilości energii. Cząstki są ściskane grawitacyjnie, energia wydziela się w postaci ciepła, jednak nadal kluczową rolę odgrywa grawitacja - ściska cząstki, zaś energia powoduje swego rodzaju rozdmuchiwanie gwiazdy. Dlatego uważa się, że znajdują się one cały czas na granicy kolapsu... w czarną dziurę. To tak jakby nasze gwiazdeczki miały lufę przy skroni i wtedy, działając pod presją, produkują niesłychane ilości energii.

A Gwiazdy Ciemne? Oprócz paliwa zwykłych gwiazd, zawierają także WIMPy. Potencjalny kandydat na ciemną energię jest swoją antycząstką, a co robią antycząstki? Anihilują ze sobą! Wydzielają przy tym kolosalne ilości energii, tak wielkie, że kolaps grawitacyjny jest powstrzymywany bez udziału fuzji termojądrowej. To jedna z najbardziej wydajnych form wytwarzania energii, taki reaktor, nawet nie termojądrowy, tylko antymateryjny - ciemna materia to niewyobrażalne źródło energii, przewyższające wydajnością nawet fuzję termojądrową!

4. Jak to działa i po co, a jeśli już, to czy w ogóle =]

Gwiazdy Ciemne mogłyby być zasilane przez energię ciemną i anihilację przez miliardy lat. Mogłyby istnieć o wiele dłużej niż zwykłe gwiazdy, i mieć się dobrze, ba, trwoniąc energię w sposób bardzo wydajny. WIMP to tylko 0.1% materii Wszechświata, ale i tak biją na głowę wydajnością fuzję jądrową.

Gwiazdy Ciemne to giganty, jeśli chodzi o wielkość - miałyby około 10 Jednostek Astronomicznych - coś w granicach 1,5 miliarda kilometra, jak odległość od Słońca do Saturna! Jasność? Totalny gigant, proszę bardzo - 10 miliardów razy jaśniejsze niż słońce. Masa - 10 milionów mas Słońca. I weź tu nie zastąp Słońca Gwiazdą Ciemną. Tylko, hmmm, mały problem, trzeba przesunąć Ziemię poza Saturna, żebyśmy jakoś przetrwali giganta energii.

Właściwie, to jeśli chodzi o wymienione powyżej wielkości, nie byłoby dla nich górnego limitu...

Żeby zobaczyć Gwiazdy Ciemne, potrzebny byłby nie lada teleskop, pozwalający zobaczyć odległości, na których ujawniałaby się wczesna historia Wszechświata. Czy trzeba wytłumaczyć, jak sprawa się ma z zaglądaniem w gwiazdy? Widzi się zawsze przeszłość, ponieważ światło potrzebuje czasu, żeby dotrzeć do nas z odległości w skali kosmicznej. Czyli - na przykładzie Słońca odległego o około 150 milionów kilometrów od Ziemi - prędkość światła to ~300 kilometrów na sekundę. Światło potrzebuje około 8 minut, by dotrzeć od Słoneczka do Ziemi, dlatego zawsze, kiedy patrzymy na Słońce, widzimy takie, jakie było 8 minut temu =] Podobnie ma się sprawa z innymi obiektami niebieskimi.

Gwiazdy Ciemne wyglądają jak Słońce, tylko trochę za duże. Podejrzane, prawda? Udające Słońce Gwieździsko Ciemne mogłoby nam narobić niezłego kuku. Przysmażałoby nieźle, filtr na plaży podchodzący pod 150, opalenizna z Majorki nad Bałtykiem w 5 minut.

Ale - wszystkiego nie można mieć. Gwiazdy Ciemne byłyby... zimne.  Ich temperatura to około 9700 st. Celsjusza. To mało, Słońce ma temperaturę w w obszarze swojej korony, około 3 milionów stopni Celsjusza.

5. Końcówka, czapki z głów dla Gwiazd Ciemnych jeśli chodzi o egzotykę.

Ciemne Gwiazdy to nie lada zagwózdka. Jak coś tak energetycznego mogłoby być tak zimne? Widocznie antymateria, albo wcześniej - ciemna materia - to zupełnie inne źródło energii niż to, jakie obserwujemy obecnie w znanych sobie formach. Właściwie uważa się, że coś takiego jak Gwiazda Ciemna nie powinno istnieć. A jednak - mogłoby i wyczekuje się ich zaobserwowania. Fantastycznie brzmi fakt, że byłyby to gwiazdy uformowane około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu, czyli już po początku Ery Jonizacji (380 000 lat po Wielkim Wybuchu). To jedne z pierwszych, jeśli nie pierwsze gwiazdy, jakie kiedykolwiek powstały. Czy nie jest dziwne, że mogłyby być zasilane aż do dziś? Tak mogłaby działać materia niebarionowa. Są to wybitnie pierwsze w kolejce kandydatki na powstanie Supermasywnych Czarnych Dziur, tych potworów, które zamieszkują każdą z galaktyk, podobno. Ale to tylko po zderzeniu z inną Ciemną Gwiazdą. Paliwo jest, masa także, nic tylko wzmacniać rzeźbę =] 

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