Άστρα από κουάρκ παίζουν ρόλο στη νέα θεωρία για τις λαμπρότερες σουπερνόβες

Πηγή: space.com, 3 Ιουνίου 2008

Τα άστρα από κουάρκ, εξωτικά αντικείμενα που ακόμα να παρατηρηθούν άμεσα, είναι μέρος μιας νέας θεωρίας για την εξήγηση μερικών από τις φωτεινότερες αστρικές εκρήξεις που καταγράφονται στον Κόσμο.

Οι υπερ-φωτεινές σουπερνόβες, που παράγουν πάνω από 100 φορές περισσότερη φωτεινή ενέργεια από τις κανονικές σουπερνόβες και εμφανίζονται περίπου μία σε κάθε 1.000 εκρήξεις υπερκαινοφανών, έχουν μπλέξει εδώ και καιρό τους αστροφυσικούς. Το πρόβλημα έχει να κάνει με την πηγή που δίνει όλη αυτή την πρόσθετη ενέργεια.

Οι αστροφυσικοί Denis Leahy και Rachid Ouyed του πανεπιστημίου Calgary νομίζουν ότι έχουν μια πιθανή πηγή αυτής της ενέργειας - η εκρηκτική μετατροπή ενός άστρου νετρονίων σε ένα άστρο από ελεύθερα κουάρκ.

Ένα άστρο νετρονίων είναι ένα συμπαγές αστρικό πτώμα με μάζα ίση περίπου με 1,5 ήλιους σε έναν χώρο με διάμετρο λιγότερο από 26 χλμ. Εν τούτοις, αν και ακόμα τα άστρα από κουάρκ είναι στη θεωρία δεδομένου ότι δεν υπάρχει ακόμα κανένα άμεσο στοιχείο περί της ύπαρξης τους, τα άστρα αυτά είναι πιθανά ακόμα πυκνότερα από τα νετρονίων. Για παράδειγμα τα εξωτικά αυτά αντικείμενα να έχουν παρόμοια μάζα αλλά με μια διάμετρο μόνο 19 χιλιόμετρα.

Ο Leahy και τα πρότυπα των υπολογιστών του Ouyed προτείνουν ότι μια έκρηξη quark-nova θα ήταν υπεύθυνη για την πρόσθετη ενέργεια που παρατηρείται στις υπερ-φωτεινές σουπερνόβες. Οι ιδιότητες που οι επιστήμονες βρήκαν στις προσομοιώσεις τους ταίριαζαν ακριβώς με εκείνες τριών από τις πιο φωτεινές σουπερνόβες μέχρι σήμερα: Τις SN2006gy, SN2005gj και SN200δp.

"Στη θεωρία, όταν μετατρέπεται ένα άστρο νετρονίων σε ένα άστρο κουάρκ απελευθερώνει πολλή ενέργεια και παράγεται μια έκρηξη που μοιάζει με αυτή μιας σουπερνόβας από ενεργειακή άποψη," λέει ο Leahy.

Και το σενάριο πως γίνεται αυτό είναι το εξής: Η εκρηκτική κατάρρευση ενός μεγάλου άστρου παράγει ένα άστρο νετρονίων. Εάν αυτό το άστρο νετρονίων είναι αρκετά βαρύ, τότε το άστρο νετρονίων θα μετατραπεί σε ένα άστρο όπου υπάρχουν μόνο κουάρκ.

"Σε ένα αρκετά βαρύ άστρο νετρονίων η βαρύτητα το συμπιέζει γι αυτό και πυκνότητα του στο κέντρο γίνεται ολοένα και πιο υψηλή," εξηγεί ο Leahy. "Εάν συμπιέσετε την ύλη σε μια αρκετά υψηλή πυκνότητα θα πάρετε ύλη από κουάρκ."

Επειδή τα κουάρκ είναι σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση από τα νετρόνια, η μετατροπή πρέπει να απελευθερώσει άφθονη ενέργεια, αρκετή για να τροφοδοτήσει μια δεύτερη έκρηξη, που οι αστροφυσικοί τη ονομάζουν quark-nova.

Σε μια χαρακτηριστική έκρηξη σουπερνόβας, το μεγαλύτερο μέρος της απελευθερωμένης ενέργειας χρησιμοποιείται για να απομακρύνει το νέφος του αερίου καθώς καταρρέει το άστρο. Και αυτό το περίβλημα του αερίου διαστέλλεται με φοβερή ταχύτητα προς τα έξω. Μόλις ένα κλάσμα του 1% της ενέργειας πηγαίνει στο θεαματικό φως που παρουσιάζει μια σουπερνόβα.

Ο Leahy ανέφερε ότι εάν γίνει μια δεύτερη έκρηξη, η quark-nova, 10 έως 20 ημέρες μετά από την πρώτη υπερκαινοφανή, τότε η ενέργεια δεν θα έπρεπε να πάει στην επέκταση του περιβλήματος του αερίου. Αντίθετα, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας θα ήταν υπό μορφή φωτεινής ακτινοβολίας. Εκείνη η ακτινοβολία θα μπορούσε να εξηγήσει τη φωτεινότερη σουπερνόβα που καταγράφηκε ποτέ, είπε.

Περίεργη ύλη

Τα αποτελέσματα είναι ειδικού ενδιαφέροντος για δύο λόγους: Οι αστρονόμοι προηγουμένως δεν είχαν μια ικανοποιητική εξήγηση για τις υπερ-φωτεινές σουπερνόβες και το υπολογιστικό μοντέλο προσφέρει έμμεσα στοιχεία για την ύπαρξη των αστεριών από κουάρκ, συνεχίζει ο Leahy.

"Κανένας δεν έχει δώσει μια ικανοποιητική εξήγηση για αυτές τις υπερ-φωτεινές σουπερνόβες. Έως ότου το κάνει κάποιος με έναν κανονικό μηχανισμό, νομίζω ότι αυτή η θεωρία προσφέρει κάποια στοιχεία, επειδή πρέπει να την έχετε αυτή την ενέργεια."

Τα κουάρκ θεωρούνται τα πιο μικροσκοπικά στοιχειώδη σωματίδια που διαμορφώνουν τις δομικές μονάδες της ύλης, τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα οποία διαμορφώνουν στη συνέχεια τα άτομα. Ενώ τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ το κάθε ένα, ένα βραχύβιο σωματίδιο, το πιόνιο, αποτελείται από δύο κουάρκ και διασπάται τελικά σε φωτόνια, ηλεκτρόνια και νετρίνα.

Έτσι η ανακάλυψη, αν και θεωρητική, φέρνει τους αστρονόμους ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση και ενδεχομένως την ανακάλυψη περισσότερων στοιχείων για την ύπαρξη των κουάρκ.

Άλλες εξηγήσεις για τις φωτεινές σουπερνόβες είναι πιθανές, λένε οι ερευνητές, γι αυτό απαιτείται κι άλλη έρευνα για να επιβεβαιώσουν το νέο quark-nova μοντέλο.

Άστρα κουάρκ

Ένα άστρο κουάρκ μπορεί να σχηματιστεί από ένα άστρο νετρονίων μέσω μιας διαδικασίας που λέγεται αποπεριορισμός του κουάρκ. Αυτή η διαδικασία μπορεί να παραγάγει ένα quark nova. Το άστρο κουάρκ πρέπει να έχει ελεύθερα κουάρκ στο εσωτερικό του. Η διαδικασία απο-περιορισμού πρέπει να αποδεσμεύει τεράστια ποσά ενέργειας, παράγοντας ίσως τις πιο ενεργητικές εκρήξεις στον Κόσμο. Μπορεί και οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα στο διάστημα να είναι πράγματι μια έκρηξη quark nova. Ένα άστρο κουάρκ βρίσκεται κάπου μεταξύ των άστρων νετρονίων και των μαύρων οπών από την άποψη της μάζας και της πυκνότητας, και εάν προστεθούν ικανοποιητικές ποσότητες ύλης σε ένα άστρο κουάρκ, θα καταρρεύσει προς μια μαύρη τρύπα.

Ένα άστρο νετρονίων με μάζα 1.5 έως 1.8 ηλιακές που περιστρέφεται πολύ γρήγορα είναι θεωρητικά τα καλύτερα υποψήφια αντικείμενα για τη μετατροπή. Αποτελούν δε το 1% του πληθυσμού των άστρων νετρονίων. Ένα συμπέρασμα βασισμένο σε αυτό δείχνει ότι μπορούν να εμφανιστούν μέχρι 2 quark nova στον αισθητό κόσμο κάθε ημέρα.

Θεωρητικά τα άστρα κουάρκ μπορούν να είναι ήρεμα από ραδιοεκπομπές, έτσι τα παρόμοια ήρεμα άστρα νετρονίων μπορούν να είναι και άστρα κουάρκ.