Άστρα από κουάρκ μπορεί να κρατούν το κλειδί για τα κβαντικά μυστήρια

Πηγή: Πανεπιστήμιο του Calgary, 8 Ιουνίου 2006

Τα κουάρκ, οι μικρότερες δομικές μονάδες όλου της ύλης, είναι μυστήρια και αόριστα -- στην πραγματικότητα τόσο αόριστα, που οι επιστήμονες μπορούν να τα μελετήσουν μόνο αν συντριβούν μεταξύ τους υποατομικά σωματίδια με ταχύτητες κοντά σε αυτήν του φωτός, ώστε να διασπαστούν στα ιδρυτικά τμήματά τους: τα κουάρκ. Τα προκύπτοντα τότε κουάρκ περιφέρονται εκεί κοντά για ελάχιστο χρόνο, και έπειτα επανασυνδυάζονται στιγμιαία. Αυτή η αστάθεια κάνει τα κουάρκ εξαιρετικά δύσκολα για να μελετηθούν, απαιτώντας σύνθετο εξοπλισμό όπως είναι οι τεράστιοι επιταχυντές, οι οποίοι δημιουργούν μικροσκοπικές υποατομικές συγκρούσεις.

Τώρα, οι ερευνητές στο πανεπιστήμιο του Κάλγκαρι και του εθνικού εργαστηρίου Argonne στο Ιλλινόις προβλέπουν ότι μπορεί να υπάρξει και ένας άλλος τρόπος για να μελετηθούν τα κουάρκ -- με τη βοήθεια ενός ειδικού τύπου υπερ-πύκνου αστεριού, του άστρου νετρονίων.

Τα αστέρια νετρονίων είναι τόσο πυκνά που ένα κουταλάκι μόνο από το υλικό τους θα ζύγιζε δισεκατομμύρια τόνους. Αυτή η πυκνότητα δημιουργεί έντονη πίεση στον πυρήνα του αστεριού -- τόσο πολλή πίεση που σε μερικές περιπτώσεις τα κουάρκ θα μπορούσαν να ξεφύγουν από τους συνήθως σφιχτούς σχηματισμούς τους και να καταστούν ελεύθερα. Η διαδικασία ελευθέρωσης, που ονομάζεται 'αποκέντρωση' των κουάρκ, θα μετέτρεπε ένα κανονικό αστέρι νετρονίων σε αστέρι από κουάρκ. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας γέννησης αυτού του άστρου, θα αποδεσμεύονταν μεγάλα ποσά ενέργειας, παράγοντας "Κουάρκ-Nova", όπως τα ονόμασαν ερευνητές στο πανεπιστήμιο του εθνικού εργαστηρίου Κάλγκαρι και Argonne στο Ιλλινόις. Αυτή η θεωρητική κατάρρευση που, εάν υπάρχει, μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να καταλάβουν ορισμένες κολοσσιαίες ενεργειακές εκρήξεις στον κόσμο που μπορεί να παρατηρούνται αλλά να μην έχουν εξηγηθεί.

"Τα αστέρια από κουάρκ είναι η μόνη θέση όπου θα αναμέναμε να δούμε κουάρκ ελεύθερα να κινηθούν στη φύση", λέει ο καθηγητής Rachid Ouyed, αστροφυσικός του Κάλγκαρι και επικεφαλής του προγράμματος. "Έτσι το σύμπαν μας έχει προσφέρει ένα φυσικό εργαστήριο για να μελετήσουμε τις ιδιότητές τους."

Ο Ouyed έχει πραγματοποιήσει θεωρητικές μελέτες γι αυτά τα άστρα κουάρκ μαζί με τον Jan Staff του πανεπιστημίου του Κάλγκαρι και τον Prashanth Jaikumar του εθνικού εργαστηρίου Argonne.

Η μελέτη των ιδιοτήτων των κουάρκ είναι σημαντική επειδή είναι δομικές μονάδες όλης της ύλης, και ξέροντας πώς συμπεριφέρονται τα κουάρκ οι επιστήμονες καταλαβαίνουν καλύτερα τις θεμελιώδεις αρχές της φυσικής. Ο Jaikumar, που μελετά τη θεωρία των κουάρκ, συνεργάστηκε με τους Ouyed και Staff, κι έτσι θα μπορούσαν να αρχίσουν να κάνουν νέες προβλέψεις για τις ιδιότητες των ελεύθερων κουάρκ που βρίσκονται στα αστέρια από κουάρκ. "Εάν τα κουάρκ υπάρχουν σε μια σταθερή μορφή μέσα σε ένα αστέρι, πιθανώς θα αλλάξουν τις ιδιότητες αυτού του αστεριού," λέει.

Αλλά εάν τα αστέρια από κουάρκ υπάρχουν πραγματικά, πώς μπορούν οι επιστήμονες να τα βρουν;

Οι ερευνητές προτίθενται να απαντήσουν σε αυτή την ερώτηση υπολογίζοντας τις βέλτιστες συνθήκες για τα αστέρια από κουάρκ. Οι καλύτεροι υποψήφιοι γι αυτά τα άστρα είναι: τα πολύ γρήγορα περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων με μάζες μεταξύ 1,5 και 1,8 φορές της μάζας του ήλιού μας. Αυτό σημαίνει ότι περίπου το 1%  από τα γνωστά αστέρια νετρονίων θα μπορούσε στην πραγματικότητα να είναι ένα αστέρι κουάρκ.

"Εάν η θεωρία μας αποδειχθεί σωστή, κατόπιν θα μπορούσαμε να δούμε και δύο Κουάρκ-Novae κάθε ημέρα", λέει ο Ouyed, σημειώνοντας ότι τα αστέρια κουάρκ μπορούν πραγματικά να είναι αρκετά συνηθισμένα στο Γαλαξία μας.

"Οι υπολογισμοί μας δείχνουν ότι ο πυρήνας των ιδιαίτερα μαγνητισμένων βαριών άστρων νετρονίων μπορεί να μετατραπεί σε ύλη κουάρκ μέσα σε μερικές ώρες μετά από τη γέννησή τους", λέει ο Staff. Ξέρει ότι τα βαριά αστέρια νετρονίων με ενδιάμεσα μαγνητικά πεδία μπορούν να χρειαστούν μέχρι 1.000 χρόνια για να ελευθερώσουν κουάρκ στον πυρήνα τους -- ένα εξαιρετικά γρήγορο χρονικό διάστημα στην κοσμολογική κλίμακα.

Το επόμενο βήμα της έρευνας είναι να υπολογιστεί τι ειδικές ιδιότητες δείχνουν τα άστρα με κουάρκ και Quark-Novae, που οι επιστήμονες θα μπορούσαν να παρατηρήσουν. Μέχρι τώρα, οι ερευνητές έχουν τουλάχιστον μερικές ιδέες. Κατ' αρχάς, σκέφτονται ότι τα αστέρια κουάρκ παράγουν πιθανώς παρόμοιες εκπομπές όπως τα αστέρια νετρονίων -- εκτός από ορισμένες ραδιοεκπομπές. Αυτή η έλλειψη ραδιο-εκπομπών έχει παρατηρηθεί ήδη σε μια κατηγορία άστρων νετρονίων γνωστά ως ραδιο-ήρεμα άστρα νετρονίων, και επτά περίπου από τα οποία είναι γνωστά. Εάν η θεωρία περί αστεριών από κουάρκ είναι σωστή, είναι δυνατόν εκείνα τα επτά ήρεμα αστέρια να είναι στην πραγματικότητα αστέρια κουάρκ. 

Η θεωρία περί άστρων κουάρκ μπορεί επίσης να εξηγήσει την ύπαρξη ενός άλλου περίεργου αστροφυσικού φαινομένου γνωστού ως εκρήξεις ακτίνων γάμμα -- αστρικά αντικείμενα που εκπέμπουν περιστασιακά εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη ενέργεια σε μερικά μόνο δευτερόλεπτα, από όσο ο ήλιός μας κάνει σε ένα ολόκληρο έτος.

"Για 40 χρόνια κανένας δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο", αναφέρει ο Ouyed. "Για πολύ καιρό θεωρούσαμε ότι ένα σουπερνόβα ήταν το πιο ενεργητικό αντικείμενο στον κόσμο. Τώρα ξέρουμε ότι οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα είναι 10 φορές ισχυρότερες, αλλά δεν ήμαστε σε θέση να εξηγήσουμε το γιατί μέχρι τώρα."

Ο Ouyed μαζί με μια άλλη ομάδα συναδέλφων του νομίζουν ότι οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα μπορούν να συνδεθούν με τα Κουάρκ-Nova. Στις προσομοιώσεις των υπολογιστών, έχουν ήδη προβλέψει πώς το μαγνητικό πεδίο ενός άστρου νετρονίων θα άλλαζε καθώς θα γινόταν ένα αστέρι από κουάρκ. Οι προσομοιώσεις  παρουσιάζουν μια έκρηξη που απελευθερώνει ενέργεια συγκρίσιμη με αυτήν των εκρήξεων ακτίνων γάμμα. Οι ερευνητές προγραμματίζουν να χρησιμοποιήσουν τις προσομοιώσεις τους για να προβλέψουν κι άλλες ιδιότητες των αστεριών κουάρκ καθώς και της γέννησής τους.

"Εάν μπορέσουμε πραγματικά να βρούμε ένα Κουάρκ-Nova", λέει ο Ouyed, "τότε θα ήταν το εκρηκτικότερο φαινόμενο στο σύμπαν".