Keista materija: kas tai yra ir kodėl svarbi neutroninėse žvaigždėse
Sužinokite, kas yra keista materija, jos kvarkų prigimtis ir vaidmuo neutroninių žvaigždžių branduoliuose — kodėl tai svarbu astrofizikai.
Keista materija yra kvarkų materijos forma — tai materija, sudaryta daugiausia iš kvarkų, bet skiriasi nuo įprastinės medžiagos tuo, kad jose dalyvauja ne tik aukštyn ir žemyn kvarkai. Keistoji materija apibūdinama kaip „skystis“, sudarytas iš aukštyn, žemyn ir keistųjų kvarkų. Kitaip nei įprasta branduolių medžiaga, kurioje vyrauja protonai ir neutronai, keistųjų kvarkų materijoje pats materijos būsena yra išlaisvintas kvarkų mišinys.
Kada ir kur gali egzistuoti keista materija
Manoma, kad keista materija gali susidaryti tik esant itin dideliam tankiui ir slėgiui, pavyzdžiui, neutroninių žvaigždžių centre. Ten, kur tankis žymiai viršija atominio branduolio tankį, protonai ir neutronai gali suspausti taip, kad jų sudedamosios dalelės — kvarkai — „išsilaisvina“ ir susimaišo į kvarkinį skystį. Yra hipotezių, kad kai kurių neutroninių žvaigždžių branduoliai arba net visos žvaigždės gali būti iš esmės sudaryti iš keistosios kvarkų materijos (vadinamųjų „keistųjų žvaigždžių“ arba „kvarkinių žvaigždžių“).
Ką reiškia „keistųjų“ kvarkų dalyvavimas
Keistieji kvarkai yra sunkesni už aukštyn ir žemyn kvarkus, todėl jų gamyba reikalauja energijos ir paprastai vyksta per silpnąsias sąveikas. Tačiau aukštas tankis ir cheminės pusiausvyros sąlygos neutroninės žvaigždės branduolyje leidžia silpnosioms sąveikoms paversti dalį aukštyn/žemyn kvarkų į keistuosius. Dėl šios papildomos laisvės laipsnių ir energetinių sąlygų keistoji materija gali turėti žemesnę energiją vienam dalelių vienetui nei „tik“ aukštyn–žemyn kvarkų medžiaga — tai yra pagrindinė priežastis, kodėl keistoji materija laikoma įdomia teorine galimybe.
Teorinės idėjos ir stabilumas
- Witteno hipotezė: buvo pasiūlyta, kad visiškai keista kvarkų materija gali būti energijos minimumas (visuotinai stabilus būvis). Jei tai tiesa, maži keistosios materijos gabalėliai — „strangelet’ai“ — galėtų būti stabilūs.
- Stabilumo priklausomybė: stabilesnė keistoji materija būtų esant pakankamai dideliam tankiui; prie mažesnių tankių ji greičiausiai degraduoja į įprastus hadronus (protonus ir neutronus).
- Spalvinė superlaidumo fazė: teorijose aptinkamos fazės, tokios kaip „color–flavor-locked“ (CFL), kur kvarkai susijungia į poras ir kvarkų materija elgiasi kaip spalvinė superlaidė. Tai gali pakeisti terminius ir transportinius savybes bei neutroninių žvaigždžių evoliuciją.
Reikšmė neutroninėms žvaigždėms
Keista materija gali reikšmingai paveikti neutroninių žvaigždžių savybes:
- Masė ir spindulys: kvarkinė ekstrinė medžiaga pakeičia vadinamąją lygtį būsenai (equation of state), o tai keičia galimą didžiausią žvaigždės masę ir jos spindulį.
- Aušinimas: kvarkinė fazė gali leisti efektyvesnį neutrino spinduliavimą ir greitesnį aušinimą, todėl žvaigždės temperatūros evoliucija gali skirtis nuo tradicinių modelių.
- Rotacija ir „glitčai“: pereinamosios fazės ir sluoksniuotumas gali paveikti žvaigždės sukimosi dinamiką, pavyzdžiui, staigius sukimosi pokyčius („glitčus“).
- Transformacijos pavojus: jei vienos žvaigždės branduolyje atsiranda stabilus keistosios materijos kaltelis, jis teoriškai galėtų „išplisti“ ir paversti visą žvaigždę į kvarkinę: šis procesas yra aptarinėjamas, nors realybėje jo tikimybė ir tempas neaiškūs.
Observaciniai ženklai ir eksperimentai
Nors keistosios materijos egzistavimas nėra įrodytas, yra keli būdai, kaip jos paieštis vyksta:
- Masės ir spindulio matavimai per rentgeno ir gravitacinių bangų stebėjimus: palyginant su modeliais galima atskirti, ar neutrinės žvaigždės branduoliai gali būti kvarkiniai.
- Greitasis aušinimas arba netikėtas neutrinos srautas supernovų liekanose gali rodyti kvarkinių fazių atsiradimą.
- Žemiški tikrinimai: sunkiųjų jonų susidūrimai (pvz., RHIC, LHC) ieško trumpalaikių kvark–gluonų plazmos fazių ir galimų egzotinių fragmentų, įskaitant hipotetinius „strangelet’us“.
- Kosminiai spinduliai: aptikti itin tankius, elektriškai neutralus fragmentus kosminiuose spinduliuose būtų netikėtas, bet svarbus požymis.
Kas lieka neaišku
Vis dar egzistuoja daug neaiškumų: kvantinės chromodinamikos (QCD) neperturbacinės savybės prie didelio tankio yra sunkiai skaičiuojamos, todėl modeliai skiriasi priklausomai nuo prielaidų. Mes dar nepatvirtinome keistosios materijos tiesioginiu būdu, tad šiuo metu tai tebėra aktyvi teorinė ir eksperimentinė sritis.
Trumpas apibendrinimas
Keista materija — tai hipotezinė kvarkų fazė, kurioje dalyvauja keistieji kvarkai kartu su aukštyn ir žemyn kvarkais. Ji gali egzistuoti tik labai dideliame tankyje, todėl dominuoja diskusijose apie neutronines žvaigždes ir galimus egzotinius objektus. Nors teorijos siūlo įdomias pasekmes — nuo kitokios masės–spindulio priklausomybės iki greitesnio aušinimo — empiriniai įrodymai kol kas nėra galutiniai, todėl keistosios materijos tyrimai ir toliau yra aktyvi mokslo sritis. Be to, dauguma modelių taip pat svarsto, ar „žavingoji materija“, iš žaviųjų kvarkų sudaryta kvarkų materija, galėtų egzistuoti, tačiau tam reikėtų dar didesnių tankių nei įprastai aptinkami neutroninėse žvaigždėse.
Ieškoti