Astronomowie zaobserwowali w miejscu eksplozji supernowej z 1181 roku parę gwiazd, które z pewnością nie są niczym co naukowcy kiedykolwiek oglądali. Zbyt chłodne i zbyt małe, aby być gwiazdami neutronowymi, jednocześnie nie są czarnymi dziurami. Jedynym wytłumaczeniem tej zagadki jest istnienie ciała niebieskiego mieszczącego się pomiędzy super-gęstymi gwiazdami neutronowymi a tajemniczymi czarnymi dziurami. Najprawdopodobniej astronomowie zaobserwowali jako pierwsi plazmę gluonowo-kwarkową – subtelny stan materii, który fizycy chcą stworzyć od dziesięcioleci – stan materii który wypełniał Wszechświat w pierwszych chwilach Wielkiego Wybuchu…

Obserwowanym obiektem była gwiazda RX J1856.5-3754. Jej temperatura wynosi 700 tysięcy stopni Celsjusza, zaś promień 11,3 kilometra. Druga obserwowana gwiazda to 3C-58 – supernowa, którą w 1181 roku obserwowali mieszkańcy Chin. Zgodnie z teorią gwiazd neutronowych, gwiazda tego typu powstaje, gdy gęste jądro supernowej po kosmicznym kataklizmie zapada się i tworzy super-gęste skupienie neutronów zanurzonych w “zupie elektronowej”. Zaobserwowane obiekty, które powinny być gwiazdami neutronowymi są jednak zdecydowanie zbyt małe i zdecydowanie zbyt chłodne. Według przewidywań teoretycznych powinny już utworzyć czarną dziurę.

Obserwacje 3C58, pozostałości po supernowej widocznej na Ziemi w 1181 roku wykazały, że gwiazda neutronowa wewnątrz chmury materii posiada zdecydowanie za niską temperaturę, co może wskazywać na istnienie nowego rodzaju super-gęstych gwiazd kwarkowych zbudowanych z plazmy kwarkowo-gluonowej.

Czarnej dziury jednak tam nie ma. Pozostaje jedyne rozwiązanie: gwiazdy są utworzone z plazmy kwarkowo-gluonowej. Czym są kwarki i gluony? Zgodnie z ostatnimi odkryciami w fizyce cząstek elementarnych protony, neutrony, miony i inne cząstki nie są niepodzielne. Mniejszymi cegiełkami są kwarki. Np. proton i neutron są zbudowane z 3 kwarków (każda cząstka ma inny zestaw). Mion ma ich w sobie dwa. Istnieją 3 rodziny kwarków każda po 2 osobniki różniące się ładunkiem (mają ułamkowy ładunek elementarny) masą i innymi właściwościami. Gluony z kolei to cząstki przenoszące oddziaływania silne między kwarkami (gluon pochodzi od angielskiego glue – klej).

Gwiazdy kwarkowe i kwarki

Istnieje 6 różnych rodzajów kwarków: zwykła materia złożona jest z kwarków u (górny), d (dolny), istnieją także krótko żyjące kwarki: s (dziwne), c (powabne), t (powierzchniowe lub piękne), b (denne lub prawdziwe). Ich nazwy (zapachy) pochodzą od nazw angielskich, których odpowiedniki polskie zostały przedstawione w nawiasach.

Czym jest plazma kwarkowo-gluonowa? Wyobraźmy sobie pewną ilość materii w pewnej zamkniętej przestrzeni. Jeśli będziemy zmniejszać objętość tej przestrzeni zmusimy atomy materii do częstszego zderzania się. W końcu atomy zjonizują się i jony dodatnie będą poruszać się niezależnie o elektronów, jeśli będziemy kontynuować ‘ściskanie’ to w końcu uderzenia między jonami doprowadzą do rozpadów jądrowych – protony i neutrony będą poruszać się niezależnie od siebie. Jak będziemy kontynuować ściskanie to w pewnym momencie uderzenia między protonami i neutronami będą na tyle energetyczne, aby rozbić potężne siły wiążące kwarki, które się rozpadną i otrzymamy w niewielkiej przestrzeni plazmę kwarkowo-gluonową. Jeśli będziemy kontynuować ściskanie materia się zapadnie i utworzy czarną dziurę.

Połączona siła Obserwatorium Chandra i Kosmicznego Teleskopu Hubblea pokazała, że widoczna na fotografii gwiazda RX J1856 posada temperaturę 700000 stopni Celsjusza i ma średnicę zaledwie 11,3 kilometrów – dowód na to, ze jest to pierwsza, zaobserwowana gwiazda kwarkowa.

Aby z Ziemi powstałą plazma kwarkowo-gluonowa trzeba by ją ścisnąć do objętości dużej hali sportowej (aby zrobić z niej czarną dziurę, trzeba ją skompresować do objętości piłeczki tenisowej). Plazma kwarkowo-gluonowa została przewidziana wiele lat wcześniej. Fizycy pragną stworzyć ją w swych laboratoriach ponieważ da to możliwość niepowtarzalnej analizy świata kwarków – wciąż słabo poznanego. Moglibyśmy się dowiedzieć, czy kwarki są już fundamentalnymi cząstkami, czy jeszcze da się je podzielić. Obecnie na Ziemi budowany jest akcelerator cząstek LHC (Large Hadron Collider – Wielki Zderzacz Hadronów), w którym teoretycznie będzie możliwe chwilowe stworzenie takiej plazmy, budowa jednak potrwa jeszcze kilka lat.

Teraz wygląda na to, że te dwie gwiazdy: RX J1856.5-3754 i 3C-58 (znajdujące się w konstelacji Korona Południowa) są zbudowane z plazmy kwarkowo-gluonowej. Wskazuje na to ich mała objętość (11,3 km średnicy) przy jednocześnie bardzo dużej masie oraz niewielkiej ilości emitowanej energii (nie wykryto promieniowania X 3C-58, co świadczy że jej temperatura wynosi znacznie mniej niż podejrzewano). Nowy rodzaj gwiazd otrzymał już nową nazwę: gwiazdy kwarkowe.

Ilustracja przedstawia porównanie średnic standardowych gwiazd neutronowych, hipotetycznych, nie dostrzeżonych do tej pory w naturze dziwnych gwiazd kwarkowych i RX J1856.5-3754.

Drake ostrzega co prawda, że możliwe jest również inne wyjaśnienie cech RXJ1856. Może to być bardziej normalna gwiazda neutronowa z gorącym punktem. Taki model rozważa Fred Walter z Uniwersytetu Stanowego w Nowym Jorku, jeden z odkrywców RXJ1856.

Jednak taki model wymaga, żeby gwiazda pulsowała. Pulsacja RXJ1856 nie została zaobserwowana i żeby wyjaśnić jej brak prowadzone są teraz dokładniejsze pomiary.

Niezależnie jakie okaże się rozwiązanie tajemnicy tych gwiazd, tak dokładne obserwacje są same w sobie dużym osiągnięciem” – mówi Michael Turner z Uniwersytetu Chicago. – “Świadczą, że możemy użyć Wszechświata jako laboratorium i badać najbardziej fundamentalne problemy fizyczne“.

Odkrycie zostało dokonane przy pomocy Obserwatorium Promieniowania X – Chandra. Odkrycia dokonała grupa naukowców pod kierownictwem Jeremy Drake’a z Centrum Astrofizycznego Harvard-Smithson. Wiadomość została podana do wiadomości publicznej w ostatnią środę na konferencji prasowej, w ośrodku NASA w Waszyngtonie. Szersze wyniki badań zostaną opublikowane 20 czerwca w Astrophysical Journal.

Autor

Andrzej Nowojewski

Komentarze

  1. Rafał Szulc    

    Unifikacja zupełna — Poszukiwanym od dawna Świętym Graalem fizyków jest kompletna Teoria Pola, określana również jako Wielka Unifikacja, czy też Teoria Wszystkiego. Miała by ona połączyć wszystkie znane nam oddziaływania fizyczne, od mechaniki newtonowskiej, poprzez równania Maxwella, Schroedingera, Plancka, OTW, STW, ukwantowić wreszcie grawitację, zgrawitować prawa kwantowe, wchłonąć Małą Unifikację (oddziaływania elektro-słabe), skonsumować kwarki i nawet skwarki. Proszę się nie śmiać z tych ostatnich, bowiem występują w teoriach z grupy SuperSymetrii, czyli SuSy.
    Nie jest, w tym kontekście, jasny los TechniColor-u, (też jedna z autentycznych koncepcji fizycznych), Super strun, oraz Sojuszu Lewicy Demokratycznej. Być może i one się połączą…
    Lecz  Wielkiej Unifikacji nadal nie ma. Nie wystarczyło do tego geniuszu Einsteina, tu by potrzeba jakiegoś Zweisteina, a może nawet Dreisteina!

    Związany z Chromo-Dynamiką Kwantową ( QCD ) tzw. Model, jakże by inaczej : Standardowy ( MS, nie należy go mylić z MS od “wielkiego wybuchu”!) raczej wyklucza uzyskanie “nagich” kwarków, drogą wyłupania któregoś z nich, z wnętrza hadronu. Przypomnę : hadrony to rodzina obejmująca te z cząstek subatomowych, które zdolne są do reakcji w oddziaływaniach silnych, czyli zarówno bariony, jak i mezony, lecz już nie – leptony. Wszystkie hadrony są obdarzone spinem połówkowym, czyli stanowią fermiony.
    Próba “wydłubania” pojedynczego kwarka podobna ma być do obcinania łba hydrze, lub usiłowaniu uzyskania sznurka, z jednym tylko końcem : najmocniejsze nawet ciągnięcie spowoduje co najwyżej, że będziemy mieli… dwa sznurki. Czyli zamiast rozmontować hadron, na czynniki składowe, wyprodukujemy nowe, równie złożone hadrony, w ilości zależnej od energii, z jakąśmy szarpali…
    Jednak cecha kwarków, określana jako asymptotyczna swoboda – a dokładniej, jej przeciwieństwo, czyli to, że ich oddziaływanie rośnie wraz z odległością (sic!) – nie wyklucza możliwości zlewania się hadronów. No cóż, taka zupa byłaby baaardzo gęsta…
    Oddziaływania silne są, na krótkich dystansach, ok. 100 razy mocniejsze od sił elektromagnetycznych, będących z kolei tysiąc razy silniejszymi od wewnątrzatomowego oddziaływania słabego.
    Te dwa ostatnie okazały się na tyle podobne, że pozwoliło to je “zespolić” w tzw. Małej Unifikacji, lecz – co z pozostałymi? Nie udało się za pomocą kwarków gładko wpasować o~ silnego w ten cały schemat, zaś grawitacja czeka na zdefiniowanie masy Plancka.
    Natomiast ciekawie sprawy się mają (podobno) przy wysokich energiach, takich, jakie cechowały Wszechświat w pierwszych pikosekundach B-B, czy też, po polsku, W-W, bowiem wraz ze wzrostem energii, rośnie siła o~ słabych, maleje silnych, więc wszystko powinno się robić Proste & Symetryczne.
    Lecz Wielka Unifikacja przybiera wtedy postać dość… ciekawą. Cóż bowiem się dzieje? Nowa katastrofa w ultrafiolecie! Przypomnę: to historyczne określenie ukuto w związku z rozbieżnością przewidywań teorii Maxwella, na rozkład widma ciała doskonale czarnego. Równania Maxwella przewidywały jedno, a eksperymenty pokazywały całkiem co innego.
    A jak wygląda obecna wysokoenergetyczna zbieżność różnych oddziaływań?
    Zachowują się dosyć podobnie – bowiem wszystkie ich równania… spotyka katastrofa! Pojawiają się uporczywe, koszmarne nieskończoności, których nijak nie mogą się pozbyć teoretycy, nawet za pomocą swej ulubionej sztuczki, renormalizacji.
    Czyli… jest jak w tytule.
    Dlatego można przypuszczać, że fizycy hurmem opuścili akceleratory, i tłoczą się w przedsionkach u astronomów, usiłując choćby rzucić okiem, przez teleskop, na owe kwarkowe stwory. Bo choć niewiele, to jednak COŚ widać, w przeciwieństwie do ichnich detektorów, i super-zderzaków, ciągle podkręcanych w górę, na moce wielokrotnie już przekraczające to, co przewidywano podczas ich budowy…
    zupy z omastą jak nie było, tak nie ma…
    Ale! – udało się już “zrobić” kleik, tj. pardon : gluon higgsa, inaczej higgson, o kaloryczności 114 GeV.
    Czy ktoś wie, ile w tych jednostkach ma schabowy?

  2. Rafał Szulc    

    Też bozony… — Trochę się zagalopowałem, wrzucając mezony do grupy fermionów, podczas gdy mają one spiny całkowite (1, 2, 3…)
    W dodatku bywają wśród nich dosyć frymuśne, np. mezon psi – oznaczany grecką literą podobną do trójzębu. Cząstka jest o tyle ciekawa, że składa się z kwarka c, oraz jego… antykolegi, czyli a~ kwarka antypowabnego. A jednak nie rozpada się natychmiast w błysku anihilacji! Czyli, jak się okazuje, pokojowe współistnienie dwóch przeciwnych rodzajów materii – jest możliwe…
    A jak to wyglądało w pierwszych pikosekundach Wielkiego Bum!?
    Świadków tego nie ma, lecz obecna interpretacja jest taka, że to, iż nie doszło do dokładnej i pełnej anihilacji wyprodukowanej wcześniej materii, z powstającą równocześnie, i w tych samych ilościach, antymaterią, wiąże się ze zjawiskiem łamania symetrii.
    No cóż, jest to określenie na tyle ogólne, że można by porównać je do wyników długiego śledztwa, które wykazało, że manko w kasie jest spowodowane (zapewne) – przestępstwem. Bo – cóż oznacza “łamanie symetrii”?
    Pojawiające się w teoriach, oraz odpowiednich równaniach, niewrażliwości na różnego rodzaju przekształcenia, związane z transformacjami układu odniesienia – określa się jako symetrie. Zaś ich wymowa fizyczna jest taka, że odpowiednie symetrie – są obrazem związanych z nimi praw zachowania.

    Jeśli mamy obraz zderzających się kul bilardowych, to z prawa zachowania energii, oraz p.z. pędu – możemy obliczyć trajektorie zderzeń. Gdyby wszystko było idealne, i przebiegało w duchu pełnej symetrii, to dobry gracz mógłby, w zasadzie, jednym, perfekcyjnie wyliczonym uderzeniem, wbić wszystkie kule do odpowiednich dziur. Lecz tak ambitnych wyliczeń raczej nikt nie robi, poprzestając na kilku łuzach – dlaczego? Z powodu przekształcania się energii kinetycznej zderzających się bil, w energię cieplną, czyli… łamania symetrii.
    Energia kinetyczna, oraz odpowiednie pędy – nie będą w pełni zachowywane podczas zderzeń, gdyż kule nie są idealnie sprężyste, nie wspominając już o bandach. Część energii zostanie rozproszona, zmieniając się w inne jej rodzaje. I tak właśnie – symetria zostanie złamana. Najdobitniej widać to w przypadku zderzenia z bandą : kąt padania NIE jest idealnie równy kątowi odbicia.
    Miłośnikom bilardu powiem jednak : nie martwcie się! Dzięki temu istnieje Wszechświat…

  3. srymul    

    Nowa teoria !? — Od kiedy mion składa sie z kwarków???

  4. KOPER    

    Nadal nie ma — wine za nieskonczonosci ponosza liczby …pozdrawiam

Komentarze są zablokowane.