นักฟิสิกส์ทำนายผลที่ตามมาจาก "วันที่อวกาศ" ของดวงดาว: นักวิทยาศาสตร์จัดการอย่างไร

ยกเว้นหลุมดําดาวนิวตรอนเป็นวัตถุที่หนาแน่นที่สุดในจักรวาล อย่างที่ควรจะเป็น

ตามชื่อที่แนะนําพวกมันส่วนใหญ่ประกอบด้วยนิวตรอน อย่างไรก็ตามความรู้ของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสสารที่เกิดจากการชนกันของดาวนิวตรอนสองดวงยังคงมีจํากัด  นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเกอเธ่ในแฟรงก์เฟิร์ตและศูนย์ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเอเชียแปซิฟิกในโปฮังได้พัฒนาแบบจําลองที่ให้เพื่อจินตนาการในสภาวะที่รุนแรงเช่นนี้

ดาวนิวตรอนคืออะไร?

หลังจากที่ดาวฤกษ์มวลมากเผาผลาญเชื้อเพลิงจนหมดและระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา วัตถุที่มีขนาดกะทัดรัดมาก เช่น ดาวนิวตรอน สามารถก่อตัวได้ มีความหนาแน่นผิดปกติ ดังนั้น สสารดาวนิวตรอนหนึ่งช้อนชาจะมีน้ำหนักประมาณ 112 ล้านตันบนโลก อย่างไรก็ตาม พวกมันมีขนาดเล็กมาก ดาวนิวตรอนโดยเฉลี่ยสามารถบรรจุอยู่ภายในขอบเขตของลอนดอนได้ แต่ดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เราที่สุด สามารถจุโลกได้มากกว่าหนึ่งล้านดวง

ดาวนิวตรอนมีขนาดเล็กแต่หนาแน่นมาก ดาวนิวตรอนทั่วไปเมื่อเทียบกับลอนดอน
เครดิตรูปภาพและลิขสิทธิ์: Kolbjorn Skarpnes, NTNU

เพื่อให้ได้ความหนาแน่นดังกล่าว คุณจะต้องบีบอัดวัตถุขนาดใหญ่เช่นดวงอาทิตย์ให้มีขนาดเท่ากับเมืองอย่างแฟรงก์เฟิร์ต

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์รู้เกี่ยวกับการดำรงอยู่ดาวนิวตรอน 2,000 ถึง 3,000 ดวงในทางช้างเผือก แต่เชื่อกันว่ามีอีกมากมาย ตรวจพบได้ยากด้วยเหตุผลหลายประการ ตั้งแต่ขนาดที่เล็ก (อย่างน้อยก็ตามมาตรฐานทางดาราศาสตร์) ไปจนถึงความส่องสว่างต่ำในแสงที่มองเห็นได้

ทำไมพวกเขาถึงน่าสนใจ?

วัตถุทั้งหมดในจักรวาลประกอบด้วยดวงดาวสาร อย่างไรก็ตาม ผู้ทรงคุณวุฒิไม่ได้สังเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีเดียวกันทั้งหมด ดาวธรรมดาคือโรงงานที่ผลิตฮีเลียม คาร์บอน และธาตุแสงอื่นๆ ที่คุ้นเคย

ภาพประกอบ: ESO

การสร้างวัตถุที่หนักกว่า เช่น เงิน ทองคำ และแพลตตินัม จำเป็นต้องมีการชนกันของดาวนิวตรอน

นักวิทยาศาสตร์มีคำถามอะไรบ้างเกี่ยวกับดาวนิวตรอน

วัดคลื่นความโน้มถ่วงขนาดเล็กการแกว่งของกาล-อวกาศอันเป็นผลจากการชนกันของดาวนิวตรอนสองดวงเกิดขึ้นได้สำเร็จในปี พ.ศ. 2560 เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ยังไม่ทราบองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ฟิวชั่นที่ร้อนและหนาแน่นที่เกิดขึ้นอย่างแม่นยำ ยังคงมีคำถามปลายเปิดอยู่ เช่น ควาร์กซึ่งมิฉะนั้นจะถูกจับโดยนิวตรอน สามารถปรากฏอยู่ในรูปแบบอิสระหลังจากการชนได้หรือไม่ เพื่อค้นหาคำตอบ ผู้เขียนงานวิจัยใหม่ได้พัฒนาโมเดลใหม่

นักวิจัยทำอะไร?

ส่วนหนึ่งของการศึกษาครั้งใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ขยายขอบเขตออกไปแบบจำลองฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ไม่สามารถใช้ได้ที่ความหนาแน่นสูง เมื่อต้องการทำเช่นนี้ พวกเขาใช้วิธีการที่ใช้ในทฤษฎีสตริงเพื่ออธิบายการเปลี่ยนผ่านไปสู่สสารควาร์กที่มีความหนาแน่นและร้อน

ควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐานและมูลฐานส่วนประกอบของสสาร ควาร์กรวมตัวกันเพื่อสร้างอนุภาคประกอบที่เรียกว่าฮาดรอน ซึ่งมีความเสถียรมากที่สุดคือโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสของอะตอม

ภาพประกอบของวิธีการใหม่:นักวิจัยใช้หลุมดำห้ามิติ (ขวา) เพื่อคำนวณแผนภาพเฟสของสสารที่ถูกยึดอย่างแน่นหนา (ตรงกลาง) ทำให้สามารถจำลองการรวมตัวกันของดาวนิวตรอนและคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นได้ (ซ้าย)
เครดิต: Goethe University Frankfurt am Main

ผู้เขียนงานวิจัยใช้คณิตศาสตร์ความสัมพันธ์ที่พบในทฤษฎีสตริง กล่าวคือความสัมพันธ์ระหว่างหลุมดำห้ามิติกับสสารที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรง เพื่ออธิบายการเปลี่ยนสถานะระหว่างนิวเคลียร์หนาแน่นและสสารควาร์ก

กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักฟิสิกส์ใช้ห้ามิติหลุมดำเพื่อคำนวณเฟสไดอะแกรมของสสารที่มีพันธะรุนแรง สิ่งนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์จำลองการรวมตัวของดาวนิวตรอนและคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้น

สสารควาร์กประกอบด้วย u-และ d-ควาร์ก มีความโดดเด่นด้วยพลังงานเฟอร์มีที่สูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับสสารอะตอมธรรมดา นอกจากนี้ยังมีความเสถียรเฉพาะที่อุณหภูมิและ/หรือความกดดันสุดขั้วเท่านั้น นี่แสดงให้เห็นว่ามีเพียงดาวนิวตรอนที่มีแกนกลางของสสารควาร์กเท่านั้นที่สามารถเป็นดาวควาร์กที่เสถียรได้

พวกเขาค้นพบอะไร?

นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้แบบจำลองใหม่แล้วในการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถคำนวณสัญญาณของคลื่นความโน้มถ่วงจากการชนเหล่านี้ได้ และแสดงให้เห็นว่าผลจาก "การพบกันในจักรวาล" ของดาวนิวตรอน ทำให้ทั้งสสารควาร์กร้อนและเย็นสามารถปรากฏขึ้นได้

โปรดจำไว้ว่าคลื่นความโน้มถ่วงคือการเปลี่ยนแปลงสนามโน้มถ่วงที่แผ่ขยายเหมือนคลื่น พวกมันปล่อยออกมาจากมวลที่เคลื่อนที่ แต่หลังจากการแผ่รังสี พวกมันจะถูกแยกออกจากพวกมันและดำรงอยู่อย่างเป็นอิสระจากมวลเหล่านี้ ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์กับการก่อกวนของหน่วยเมตริกกาล-อวกาศ และสามารถอธิบายได้ว่าเป็น "ระลอกคลื่นของกาล-อวกาศ"

ถัดไปคืออะไร

ในอนาคต นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะสามารถเปรียบเทียบแบบจำลองกับคลื่นความโน้มถ่วงในอนาคตที่วัดจากอวกาศ เพื่อทำความเข้าใจสสารควาร์กในการชนกันของดาวนิวตรอนได้ดียิ่งขึ้น

อ่านเพิ่มเติม:

นักโบราณคดีได้ยืนยันตำนานจากพระคัมภีร์อย่างเป็นทางการแล้ว

พบหลุมศพของ "นักบวช" แห่ง Aphrodite: นักวิทยาศาสตร์แสดงสิ่งที่พวกเขาพบที่นั่น

นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นสิ่งที่อยู่ในอาณาเขตของเมืองหลวงมายัน การค้นพบทำให้พวกเขาประหลาดใจ

ปก: มหาวิทยาลัย Warwick / Mark Garlick, CC BY 4.0, ผ่าน Wikimedia Commons