• Van valami nagyon különleges a proton és a neutron belsejében – ez a kulcs
  • A neutroncsillagok a Nap tömegének akár 2,3- vagy 2,5-szörösét is elérhetik
  • A jövőben ki lehet számítani a neutroncsillagok tömegének pontosabb határértékét
Ténygyár-tartalom
7 percnyi olvasnivaló

Az Univerzumban kevés olyan dolog van, amelyet – elméletileg – olyan könnyű lenne leírni, mint egy fekete lyukat. Vigyél elegendő tömeget egy kompakt térfogatba, és egyre nehezebbé válik belőle a gravitációs kilépés. Ha egyetlen helyre elegendő anyagot gyűjtesz össze, és hagyod, hogy a gravitáció tegye a dolgát, akkor végül eljutsz egy kritikus küszöbértékhez, ahol a gravitációs szabadulási sebesség meghaladná a fénysebességet. Érd el ezt a pontot, és máris létrehoztál egy fekete lyukat.

De a valódi, normális anyag nagyon ellen fog állni majd a bejutásnak. A hidrogén, amely a világegyetem legelterjedtebb eleme, magas hőmérsékleten és sűrűségben láncreakcióba lépve egy csillagot fog létrehozni, nem pedig fekete lyukat. A fehér törpékhez és neutroncsillagokhoz hasonló kiégett csillagmagok ellenállnak a gravitációs összeomlásnak, és nem lesz belőlük fekete lyuk. De míg a fehér törpék csak a Nap tömegének 1,4-szeresét érhetik el, a neutroncsillagoknak kétszer akkora lehet a tömegük. Majd a végén megértjük, miért.

A mi Univerzumunkban a tárgyak, amelyekről tudunk, mindössze néhány egyszerű összetevőből állnak: protonokból, neutronokból és elektronokból. Minden proton és neutron három kvarkból áll, a proton két felfelé és egy lefelé irányuló kvarkot tartalmaz, a neutron pedig két lefelé és egy felfelé irányulót. Másrészt az elektronok maguk is alapvető részecskék. Bár a részecskék két osztályra oszthatók – fermionokra és bozonokra – mind a kvarkok, mind pedig az elektronok fermionok.

A részecskefizika standard modellje a négy erőből háromnak (a gravitációt leszámítva) a teljes készletét és az összes kölcsönhatásukat jelenti. A kvarkok és a leptonok fermionok, és számos olyan egyedi tulajdonságuk van, amelyek nincsenek meg a többi (bozon) részecskében.

Miért érdekes ez? Kiderült, hogy ezek a besorolási tulajdonságok létfontosságúak a feketelyuk-képződés kérdésében. A fermionok néhány olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amilyennel a bozonok nem, ezek közül kiemelkedik, hogy betartják a Pauli-féle kizárási elvet, míg a bozonok nem.

És ez a tulajdonság a kulcsa a fekete lyukba való összeomlás elhárításának.

A Pauli-féle kizárás elve, amely csak a fermionokra vonatkozik, a bozonokra nem, kifejezetten azt állítja, hogy bármely kvantumrendszerben két fermion semmiképpen sem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot. Ez azt jelenti, hogy ha egy adott helyre teszünk egy elektront, akkor annak ebben az állapotban egy meghatározott tulajdonságkészlete lesz: energiaszint, szögsebesség stb.

Ha egy második elektront akarunk hozzáadni a rendszerhez, ugyanazon a helyen, az nem kaphatja meg a másik kvantumértékét. Vagy más energiaszintet kell elfoglalnia, vagy más spinnek kell jellemeznie, vagy más helyet kell elfoglalnia a térben. Ez az elv a magyarázat arra, hogy miért annyira rendezett a periódusos táblázat.

Ez azért van, mert az atomokhoz különböző tulajdonságok tartoznak, mert bonyolult kombinációkban kötődnek egymáshoz, és mert a periódusos táblázat minden egyes eleme egyedi: mert az egyes atomtípusok elektron-összetétele eltér a többiektől.

A protonok és neutronok hasonlóak. Annak ellenére, hogy összetett részecskék, amelyek három kvarkból állnak össze, önálló fermionokként viselkednek. Szintén betartják a Pauli-féle kizárási elvet, és két proton vagy két neutron sem képes ugyanazt a kvantumállapotot elfoglalni. Az a tény, hogy az elektronok fermionok, megvédi a fehér törpecsillagokat a saját gravitációjuktól; az a tény, hogy a neutronok fermionok, megakadályozzák a neutroncsillagok összeomlását. Az atomszerkezetért felelős Pauli-féle kizárási elv óvja meg attól a legsűrűbb fizikai objektumokat, hogy fekete lyuk legyen belőlük.

Mégis, amikor megnézzük a világűrben lévő fehér törpecsillagokat, akkor körülbelül a Nap tömegének 1,4-szeresével találkozunk: ez a Chandrasekhar-tömeghatár. A kvantumdegenerációs nyomás abból adódik, hogy két elektron nem képes ugyanazt a kvantumállapotot elfoglalni, megakadályozva a fekete lyukak kialakulását mindaddig, amíg át nem lépik ezt a küszöböt.

A neutroncsillagokban is hasonló tömeghatárnak kell lennie: ez a Tolman-Oppenheimer-Volkoff-féle határérték. Kezdetben arra számítottak, hogy ez körülbelül ugyanakkora lesz, mint a Chandrasekhar-tömeghatár, mivel az alapjául szolgáló fizika ugyanaz. A megfigyelésekből azonban kiderült, hogy a neutroncsillagok sokkal nagyobbak: a Nap tömegének akár 2,3- vagy 2,5-szörösét is elérhetik.

És mégis vannak okai a különbségeknek. A neutroncsillagokban az erős atomenergia játszik szerepet, ami nagyobb effektív taszítást eredményez, mint a fermionok hideg gázainak egyszerű modellje (ez az elektronok szempontjából fontos). Az elmúlt több mint 20 év alatt a neutroncsillagok elméleti tömeghatárának számításai óriási változatosságot mutattak: a Nap tömegének 1,5-szeresétől 3-szorosáig terjedtek az eredmények. A bizonytalanság oka az, hogy nem ismeretes a rendkívül sűrű anyag viselkedését befolyásoló környezet.

Az elmúlt néhány évtizedben azonban hatalmasat javult a protonokhoz és neutronokhoz hasonló nukleonok modellezése, miközben jelentős mértékben fejlődtek a számítási és kísérleti technikák is. A legújabb kutatások a Compton-szóródásként ismert régi technikát használják, ahol az elektronokat egy proton belső szerkezetére bocsátják rá, hogy megvizsgálják annak szerkezetét. Ha egy elektron (elektromágnesesen) kölcsönhatásba lép egy kvarkkal, egy nagy energiájú fotont bocsát ki egy szétszórt elektronnal együtt, ami nukleáris visszapattanáshoz vezet. A három elem mérésével kiszámítható az atommagon belül lévő kvarkok által tapasztalt nyomáseloszlás.

Vagyis ha megértjük, hogyan működik a nyomáseloszlás egy egyedi nukleonon belül, akkor kiszámíthatjuk, hogy mikor és milyen körülmények között lehet nyomon követni a nyomást. Bár a kísérletet csak a protonokra végezték el, az eredményeknek hasonlónak kell lenniük a neutronok esetében is, ami azt jelenti, hogy a jövőben ki lehet számítani a neutroncsillagok tömegének pontosabb határértékét.

A proton belsejében uralkodó hatalmas nyomás mérése, valamint a nyomás eloszlása azt mutatja meg, mi az, ami megakadályozza a neutroncsillagok összeomlását. Ez a proton és a neutron belsejében uralkodó nyomás, ami a neutroncsillagokat megtartó hatalmas erőből származik, akkor, amikor a fehér törpék már régen kiszolgáltatottá válnak. Ennek a tömegküszöbnek a pontos meghatározása hatalmas lendületet adhatna a kutatásoknak.

 

Ez a cikk is érdekelhet

Mi jelzi jobban előre, hogy mennyit fogsz keresni?

Gépi tanulás segítségével végzett jövedelembecslést egy kutatócsoport A jutalmazás önszabá…