Čudna snov (kvarkovna snov): kaj je in kako vpliva na nevtronske zvezde

Razkrivamo čudno snov (kvarkovna snov): nastanek v jedrih nevtronskih zvezd in njen vpliv na gostoto, strukturo ter stabilnost teh izjemno gostih objektov.

Čudna snov je hipotetična oblika kvarkovne snovi, kjer so osnovni gradniki ne posamezni nevtroni in protoni, temveč svobodni kvarki. Gre pretežno za zmes kvarkov gor, dol in čudnih – zato jo imenujemo tudi kvarkovna snov s čudnimi kvarki. Snov brez čudnih kvarkov vsebuje le kvarke gor in dol, medtem ko čudna snov vsebuje tudi čudne kvarke; ta razlika lahko pomembno vpliva na energijo snovi in njeno stabilnost. Temeljna ideja (Bodmer–Wittenova hipoteza) pravi, da bi bila čudna snov v nekaterih pogojih energijsko bolj ugodna kot običajna atomsko-jedrska snov, kar bi pomenilo, da bi lahko bila stabilna ali vsaj metastabilna.

Kje in pod kakšnimi pogoji lahko obstaja

Čudna snov najverjetneje obstaja le pri izjemno visokih gostotah in pritiskih, kakršni so v notranjosti zelo masivnih nevtronskih zvezd ali med zelo energičnimi dogodki (npr. med združitvijo nevtronskih zvezd). V laboratoriju na Zemlji takšne gostote običajno niso dosegljive, zato neposrednega dokaza še nimamo. Obstaja tudi teorijska možnost »čarobne snovi«, torej kvarkovske snovi, ki vsebujejo čarobnih kvarkov (charm); taka snov bi bila možna le pri še bistveno večjih gostotah in/ali temperaturah.

Kako čudna snov vpliva na nevtronske zvezde

• Sprememba enačbe stanja (EOS): Prisotnost čudne snovi lahko omekša ali včasih tudi učvrsti enačbo stanja zvezdnega jedra, kar neposredno vpliva na razmerje med maso in radijem. To vpliva na največjo mogoče maso zvezde in na njeno obliko.
• Maksimalna masa in velikost: Če jedro preide v kvarkovno obliko, se lahko maksimalna stabilna masa nevtronske zvezde zmanjša ali poveča, odvisno od podrobnosti medkvarkovnih interakcij in morebitne barvne superprevodnosti (color superconductivity).
• Hlajenje: Kvarkovna jedra lahko omogočijo hitrejše hlajenje skozi novemu načinu oddajanja nevtrinov, kar bi vplivalo na termalni razvoj mladih zvezd in njihovo rentgensko svetlost s časom.
• Rotacija in nepravilnosti (glitche): Prehod med fazami snovi ali recimo nastanek in premik kvarkovskega jedra lahko povzroči nenadne spremembe vrtenja, kar se lahko opazi kot glitche pri pulzarjih.
• Gravitacijski valovi: Prisotnost kvarkovne snovi lahko spremeni tidalno deformabilnost med združitvijo zvezd in tako pusti specifičen odtis v signalu gravitacijskih valov (npr. pri dogodku GW170817 so bile že uporabljene omejitve za neke vrste mehke enačbe stanja).
• Površinske lastnosti: Če je zvezda popolnoma iz čudne snovi (»strange star«), ima lahko drugačno površino kot običajni nevtronski zvezdni plašč — morda celo »gola« kvarkovna površina brez debelega normalnega krasta, kar spremeni spektralne in izsevne značilnosti.

Možni opazovalni znaki

Ker so neposredni dokazi omejeni, astronomi iščejo več vrst posrednih znakov:

• Meritve mase in radija (npr. s satelitom NICER) — odstopanja od pričakovanj jedrskih modelov lahko kažejo na kvarkovno jedro.
• Hitro hlajenje mladih nevtronskih zvezd ali nenavadne nevtrinske emisije.
• Specifični podpisi v signalih gravitacijskih valov pri združitvah nevtronskih zvezd (tide deformability).
• Iskanje strangeletov — majhnih koščkov čudne snovi — v kozmičnih žarkih ali eksperimentalnih napravah (do sedaj brez prepričljivega dokaza).

Kako se lahko tvori in ali je nevarna

Prehod v čudno snov se lahko zgodi med nastankom nevtronske zvezde (supernova) ali pozneje zaradi rasti gostote z akrecijo ali med združitvijo zvezd. Teoretično bi lahko lokalno nukleoni, ki pridejo v stik s stabilnim čudnim semenom, reagirali in se spremenili v čudno snov — a verjetnost in hitrost takšnih procesov sta predmet aktivnih raziskav. V praksi ni empiričnih dokazov, da bi ta proces ogrožal Zemljo; poskusi v pospeševalnikih so pokazali, da tvorba dolgoročno stabilnih strangeletov v eksperimentih ni verjetna.

Teoretične negotovosti in odprta vprašanja

Glavna negotovost izhaja iz omejene zmožnosti kvantne kromodinamike (QCD) pri zelo velikih gostotah: natančno izračunati energijo in stabilnost čudne snovi je težko. Pomembni dejavniki so moč medkvarkovnih vezi, učinki pare (superprevodnost kvarkov), vpliv temperature in prisotnost težjih kvarkov (npr. čarobnih kvarkov) pri še večjih gostotah. Opazovalne omejitve, predvsem odmerki mas preko dveh sončnih mas, meritve radijev in signali gravitacijskih valov, že postavljajo pomembne meje in izključujejo nekaj najbolj ekstremnih modelov, vendar popolnoma ne izključujejo možnosti, da čudna snov v naravi obstaja.

Zaključek: Čudna snov je privlačna in teoretično mogoča oblika kvarkovne snovi, ki bi imela pomemben vpliv na notranjost in opazne lastnosti nevtronskih zvezd. Vendar so podrobnosti močno odvisne od nepopolno znanih medkvarkovnih interakcij, zato ostaja vprašanje odprto in predmet intenzivnih teoretičnih in opazovalnih raziskav.

Išči po črki