Nukleáris tészta Neutroncsillagokban

cím: Astromaterial Science and Nuclear Pasta

szerzők: M. E. Caplan, C. J. Horowitz

első szerző intézménye: Indiana University, USA

státusz: arXiv.org, nyílt hozzáférés

egy neutroncsillag belsejében

a neutroncsillagok az univerzum legsűrűbb tárgyai. Természetesen a bennük lévő anyag egzotikus, és semmihez sem hasonlít a Földön-képzelje el, hogy napunk tömegét csak 10 km átmérőjű csillaggá préseljük! Ahogy a nevükből is sejthető, a neutroncsillagok többnyire neutronokból állnak, az elektronok és protonok kis hányada szintén hozzájárul a tömegükhöz. A neutroncsillagot úgy lehet elképzelni, mint egy óriási atommag analógját, amelyet inkább gravitációs erők kötnek, mint az erős erő. A gravitáció által kifejtett nyomás alatt az anyag ugyanolyan sűrűségre tömörül, mint az atommagok; a neutroncsillagok nagy sűrűségű anyagának tulajdonságait ebben a harapásban tárgyaljuk.

most képzeljük el, hogy egy neutroncsillag kérgén keresztül ereszkedik le. Az 1. ábra vázlatos képet ad azokról a rétegzett rétegekről, amelyekkel leereszkedésünk során találkozunk. A külső kéregben a neutronok magokká egyesülnek, amelyek szilárd rácsot képeznek. Ahogy egyre mélyebbre ereszkedünk a kéregbe, az atommagok egyre óriásibbá és neutrongazdagabbá válnak. Egy bizonyos méreten túl a neutronok elkezdenek túlcsordulni az atommagokból, és kicsöpögnek, szabad neutronok óceánját képezve, amelyben az atommagok rácsa elmerül. Ez a belső kéregbe való átmenetünket jelenti. Itt, a kéreg (vagy “köpeny”) alján felfedezzük azokat a bonyolult nukleáris struktúrákat, amelyekkel a mai papír foglalkozik. Általában arra számítunk, hogy a magok gömb alakúak lesznek, de itt az atommagok deformálódnak és összeolvadnak, egzotikus formájú klasztereket képezve, amelyeket “nukleáris tésztának”neveznek. Ezen a ponton túl belépünk a csillag magjába, ahol egységes nukleáris anyagot találunk: egy neutron szuperfolyadék (súrlódás nélkül áramló anyag) együtt létezik egy proton szupravezetővel (olyan anyaggal, amely ellenállás nélkül vezeti az áramot).

1. ábra: (a) egy neutroncsillag szerkezete. Az N, n, p, E, stb.szimbólumok atommagoknak, folyékony neutronoknak, protonoknak, elektronoknak, illetve müonoknak felelnek meg. b) a neutroncsillag belső kéregének összetétele. Forrás: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Nuclear Pasta

extrém, nagy sűrűségű körülmények között egy neutroncsillag belsejében a nukleáris vonzás és a Coulomb taszítás közötti verseny egzotikus szerkezeteket eredményez, amelyeket nukleáris tésztának neveznek. Ravenhall, Pethick és Wilson voltak az elsők, akik a nukleáris anyag e szokatlan formációit vizsgálták. A nukleáris tésztát összetett, nem gömb alakú minták jellemzik, mint például csövek, lemezek és buborékok; ezek a konfigurációk minimalizálják energiájukat (lásd a 2.ábrát). A “nuclear pasta” név a különböző tésztafajták — például a lasagna, a gnocchi és a spagetti-hasonlósága miatt merült fel!

jelenleg a neutroncsillagok nukleáris tésztájának megértése nagyrészt elméleti számításokon alapul. Van azonban néhány megfigyelési bizonyíték, amely alátámasztja a nukleáris tészta létezését a kéregben. Például Pons, Vigano és Rea feltételezik, hogy a tészta fázis korlátozza a forgó neutroncsillagok (pulzárok) maximális centrifugálási periódusát. Azt sugallják, hogy a 12 másodpercnél hosszabb Centrifugálási periódusú izolált röntgen pulzárok hiánya a nukleáris tészta megfigyelési bizonyítéka lehet. A nukleáris tésztaréteg megfigyelési aláírásainak vadászata nagy érdeklődésre számot tartó kutatási téma.

2. ábra: példák a különböző nukleáris tészta fázisokra. 3. ábra papíron.

eredmények

ebben a tanulmányban a szerzők a nukleáris tészta félig klasszikus molekuláris dinamikai szimulációit végzik. A félklasszikus megközelítés azért indokolt, mert a releváns viselkedések több ezer nukleonból álló klasztereket foglalnak magukban, és ezek a nehéz klaszterek klasszikusan kezelhetők. A kisebb léptékben jelenlévő kvantumhatásokat kézzel helyezzük el a félig klasszikus modell paraméterein keresztül.

a szerzők modellezik a 2.ábrán látható összetett tésztaszerkezetek geometriáját és topológiáját, és kivonják az anyag hasznos tulajdonságait, például a hő-és elektromos vezetőképességet. A szerzők azt vitatják meg, hogy a neutroncsillagok kérgének tövében lévő tésztaréteg hogyan befolyásolhatja az olyan asztrofizikai jelenségek megfigyelését, mint a szupernóva neutrínók, a mágneses mező bomlása és a felhalmozódó neutroncsillagok kéreghűtése.

fent tárgyalt a papír írta Pons et al. amelyben a nukleáris tészta fázisai várhatóan szennyeződéseket tartalmaznak. A szennyeződések miatt a neutroncsillag mágneses tere 0,1-1 Myr alatt lebomlik, összhangban az izolált röntgen pulzárok megfigyelt populációjával, amelyek Centrifugálási periódusa kevesebb, mint 12 másodperc. A mai cikkben szereplő molekuláris dinamikai szimulációk bizonyítékot szolgáltatnak Pon azon feltételezésének alátámasztására, hogy a tészta magas Szennyeződési paraméterrel rendelkezik. Ezért a puzzle egy másik darabja illeszkedik egymáshoz, és még több okunk van azt hinni, hogy a nukleáris tészta létezik a neutroncsillagok belsejében.

  • A szerzőről

Lisa Drummondról

asztrofizikai PhD hallgató vagyok, aki a kompakt objektumok és a gravitációs hullámok iránt érdeklődik. Neutroncsillagok belső tereit tanulmányoztam a Diplomamunkámhoz a Melbourne-i Egyetemen, Ausztráliában, és most az MIT-n végzem A PhD-met.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.