מדענים צפו לראשונה בעדויות לשלב האקזוטי החדש המתרחש בחומר במעטפת הפנימית של כוכב הניטרונים, המכונה גם פולסאר.
חוקרים מאוניברסיטת אליקנטה גילו שלב חדש בחייהם של כוכבי ניטרונים. המדענים צפו לראשונה בעדויות לשלב האקזוטי החדש המתרחש בחומר במעטפת הפנימית של כוכב הניטרונים, המכונה גם פולסאר.
המחקר פורסם בכתב העת Nature Physics והוא חושף חלק בחייהם של האובייקטים המסתוריים פולסארי-רדיו. פולסארים הם כוכבי ניטרונים המסתובבים במהירות, ופולטים קרינה אלקטרומגנטית. מהירות השלמת המחזור שלהם היא מדוייקת להפליא. אחת השאלות הבלתי פתורות בתחום זה הוא האם ישנו פולסאר היכול להסתובב ביותר מ-12 שניות למחזור סיבוב או שמדובר במגבלה פיזיקלית. כעת גילו המדענים נדבך נוסף, כפי הנראה ישנה מגבלה כזו והיא מתרחשת כתוצאה משלב אקזוטי חדש של החומר.
ג’וסה א. פונס, המחבר המוביל של המחקר אומר: “יתכן וזו העדות הראשונה בתצפית של קיומו של שלב נוסף ב”פסטה” הגרעינית המתרחשת בתוך כוכבי הניטרונים. התגלית עשויה לתרום למשימות עתידיות של תצפיות רנטגן והגדרת אספקטים המתארים כיצד האינטראקציה הגרעינית פועלת, אספקטים שכיום אין לנו מספיק מידע בנוגע אליהם”.
הכינוי “פסטה גרעינית” ניתן לתופעה מאחר והיא מזכירה מאוד במראה שלה את המאכל האיטלקטי פסטה. התופעה קורת כאשר השילוב בין הכוחות הגרעיני והאלקטרומגנטי, בצפיפות גבוהה ביותר, גורם לגרעין האטומים (העשויים מפרוטונים וניטרונים) להסתדר בצורה שאינה כדורית.
דניאל וויגאנו, דוקטורנט באוניברסיטה אומר כי “הפולסארים נולדים בעודם מסתובבים במהירות גבוהה ביותר, יותר מ-100 פעמים בשנייה. עם זאת, השדה המגנטי החזק שלהם מאט אותם במהלך חייהם, דבר אשר מעלה את זמן מחזור הסיבוב. באותו הזמן, המעטפת הפנימית שוחקת את השדה המגנטי וכאשר הוא נחלש, הכוכב אינו יכול עוד להאט את מהירות סיבובו ולכן הכוכב נשאר במהירות סיבוב של 10-12 שניות.
באופן היסטורי, המדענים האמינו כי לפולסרי-רדיו (כוכבים אשר ניתן לאתר אותם באמצעות גלי רדיו) יש מהירות סיבוב מוגבלת אך הם לא ידעו להסביר זאת באופן תיאורטי. המדענים חשבו כי המגבלה נובעת מאפקט תצפיתי: הכוכבים בעלי מהירות סיבוב נמוכה הם פחות זוהרים בטווח של רדיו ולא ניתן לצפות עליהם. “משימות חלל בעשור האחרון זיהו מספר הולך וגדל של פולסארי רנטגן מבודדים, ולהפתעתנו לאף אחד מהם אין מהירות סיבוב ארוכה יותר מ-12 שניות, ועד כה לא היה הסבר תיאורטי מספק לתופעה”, מסכם נאנדה רי, חוקר במכון למדעי החלל בברצלונה.
19 תגובות
צבי
תודה רבה. אנסה לעיין במקורות אליהן הפנת אותי בהקדם.
אהוד,
באשר לאפקט הקלאסי שאתה מתאר, אני לא בטוח שזה נכון בשל האינטרקציה החשמלית שתנסה לאזן את המטען.
יותר מזה, האפקט הזה נכון בגז תרמי אבל במקרה של חלקיקים בטמפ’ 0 (קירוב טוב, כי הטמפ’ שם נמוכה בהרבה מטמפ’ פרמי) זה לא נכון – דמיין חלקיקים חסרי אינטרקציה המצויים במסלול סיבובי ומוחזקים ע”י גרוויטציה – במקרה זה לא תהיה כל תלות בין המסלול שלהם למסתם.
בערך על מגנטארים בויקיפדיה (http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetar) מצויין כי המקור של השדה המוגנטי הוא באפקט דינמו שמקורו בעל מוליכות. עד כמה שאני יודע העניין לא מוסכם, אבל אולי אני טועה. בקשר לעל מוליכות ולעל-נוזליות – אני באמת לא מבין בדברים האלה (אני רק יודע כסיסמא שזה נחשב נושא נורא מורכב כי יש שם ….. וגם על נוזליות ועל מוליכות). לגבי הרוטונים שאתה מציע, קרא בערך http://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star#Rotation על תופעת ה-glitch – עד כמה שאני מכיר התופעה הזו מקושרת פעמים רבות לקוונטיזציה של המערבולות בעל נוזל (אף שאף פעם לא הבנתי איך קוונטיזציה כזו יוצרת תופעה מקרוסקופית).
צבי
בקשר לשאלת השדה המגנטי, שאלת תם: האם לא די בכך שבכוכב מסתובב כל כך
מהר בכדי לבצע הפרדה בין האלקטרונים לפרוטונים כתוצאה מהמסות השונות שלהם,
אפקט קלסי טריוויאלי. לגבי על-נוזליות ובמיוחד על-מוליכות. אם הכוכב הוא על מוליך
איך השדה המגנטי חודר דרכו. אם מדובר בעל-נוזליות מה הוא מנגנון הדיספציה
הכוכב קורן. בנוסף לעל-נוזליות יש סף מהירות אם העל נוזל נע מהר מדי הוא
מייצר רוטונים לפי יחס הדיספרסיה של לנדאו.
אהוד,
באשר לשאלה ממה נובע השדה המגנטי – נכון שיש שם פרוטונים אבל ישנם גם אלקטרונים. עד כמה שאני יודע, רוב מכריע של המודלים מניחים שבסה”כ כוכב הניוטרונים ניטרלי (גם בכל אזור שלו) ולכן ההסבר הזה אינו תקף.
אפשר אולי להניח התפלגות מטען מסויימת שתיצור זרמים אפקטיביים, אך את זה עלייך להסביר ואני לא בטוח שזו הדרך החכמה ביותר.
לגבי מעבר הפאזה,
כנראה שמדובר במעבר לצורה יציבה יותר מבחינה אנרגטית / אנטרופית – אחרת זה לא היה קורה. השאלה היא האם הסיפור הזה על גרעיני פסטה הוא אכן נכון. שים לב שהטענה בקשר לפסטה היא לא תצפיתית, אלא תיאורטית, לכן דווקא ההסבר לזה ברור – מישהו שם תנאים מסויימים במודל שלו (כנראה הריץ במחשב….) וזה מה שהוא קיבל – השאלה אם כך היא לא “למה?” אלא “האם הוא צודק?”.
האם המודל הזה נכון או לא, זה כבר מעבר להבנתי (ולדעתי אפשר לומר להבנתנו) ולזה התכוונתי באומרי כי נפנופי אצבע לא יעזרו.
כוכבי ניוטרונים הם חיות מאד בעיתיות:
חלק גדול מהפיסיקה היסודית של האינטרקציות שם לא ברור – היא מערבבת פיסיקה גרעינית בתחומים לא ידועים עם חלקיקים אלמנטריים בתחומים לא ידועים. לא ברור אילו חלקיקים אקסוטייים (היפרונים) קיימים שם ולכן גם לא ברור אלו תופעות של חומר מעובה הם יגררו (אם קיימים שם למשל בוזונים אקסוטיים, הם עשויים להמצא במצב של בוז איינשטיין, אך אם הם לא שם, הם לא יהיו במצב הזה – כי הם לא שם). מה שברור הוא שאי אפשר להתעלם שם מאפקטים כאלו – על נוזליות ככל הנראה קיימת שם ואולי גם על מוליכות. על כל זה תוסיף כמובן יחסות כללית שתורמת גם היא את חלקה וקיבלת דברים מסובכים מאד שלפחות אני לא יכול לעקוב אחריהם מהתחלה ועד הסוף – אני יכול לכל היותר להתמקד במשהו ולנסות להבין אותו.
לכן, אם יש מי שטוען שזה נהיה גרעינים בצורת פסטה – אשרי המאמין…
צבי
תודה על התיקון אכן חשבתי שמדובר במהירות מקסימלית. לגבי שיקולים וחישובי
אצבע. ראשית אני חושב שהשדה המגנטי פשוט נובע מהמטען של כוכב הנויטרונים.
בכוכב יש פרוטונים וכאשר הם מסתובבים הם מייצרים שדה מגנטי. שנית לגבי מהירות
סיבוב מינמלית או יותר נכון שדה מגנטי מינמלי, אני חושב שהכתבה מרמזת על
מעבר פאזה המתרחש בשדה מגנטי מסויים. ההשערה שלי היא שבשדה מגנטי
חזק עדיף מבחינה אנרגטית לפרוטונים ולנויטרונים להסתדר בסימטריה כדורית
בעוד שבשדה מגנטי חלש עדיף מבחינת האנטרופיה לגרעינים להסתדר במבנה
פסטה שהוא בעל אנטרופיה גבוהה יותר. אשמח לשמוע את דעתך.
אהוד (ואחרים),
קצת סדר:
שים לב שהחסם המצויין הוא על מהירות סיבוב מינמלית ולא מקסימלית ולכן הוא דווקא קשור לשדות חלשים ולא חזקים.
אתחיל במה שאני יודע
ישנו חסם מוכר (וידוע יותר) על מהירות סיבוב מקסימלית – אם תדירות הסיבוב תעלה על השורש של G*rho, גוף קלאסי המוחזק ע”י גרוויטציה בלבד יתפרק. בכוכב ניוטרונים יש תיקונים (מיחסות וכוח חזק) אבל בעיקרון לא מצפים לכוכבי ניוטרונים בעלי זמן מחזור ארוכים מסד”ג של אלפיות שניה.
הסיפור כאן הוא אחר:
נניח שלכוכב יוטרונים יש שדה מגנטי (ועד כמה שאני יודע ההסבר למקורו של השדה הזה לא מובן עד הסוף). הכוכב מסתובב, ותוך כדי קורן אנרגיה. עבור דיפול מסתובב כמות האנרגיה שעובדת לקרינה פרופורציונלית ל-omega^4, מצד שני כמות האנרגיה הקינטית בסיבוב היא I*omega^2 וגזירה בזמן נסיק שהנגזרת בזמן של omega פרופורציונלית ל-omega^3. המשמעות היא שמהר מאד, לא משנה מאיזה ספין התחיל כוכב הניוטרונים הוא יגיע למצב בו קשה לו להאט (כי התלות של omega_dot ב-omega מאד חזקה). אני תמיד הבנתי שזו הסיבה שאין כוכבי ניוטרונים שמססתובבים נורא לאט וע”פ הקישור שיש כאן לאתר OPLI, הוא לא רחוק מהאמת.
לסיכום (לפני מה שנאמר במאמר הזה):
כל בעיה שתוכלו להסביר בנפנופי אצבע קלאסיים-יחסותיים יסתכמו בזה: יש מגבלה על כמה מהר אפשר להסתובב (~600 פעמים בשניה הוא המספר המקובל) ויש נמגבלה מעשית לפי קשה להגיע להסתובב לאט מפעם ב-12 שניות.
עכשיו אנחנו מגיעים למאמר
הסיפור החדש כאן הוא כמו שאני מבין שהם טוענים שזה לא סתם נעצר דווקא ב-12 שניות, אלא שיש איזושהי תופעה של גרעיני פסטה (משהו שמן הסתם לא יצמח מחישובי אצבע שיעשה מי מאיתנו על גבי talkback באתר הזה) והם שקובעים את המגבלה הזו – אשרי המאמין…
צבי
תודה רבה על ההסבר!
ביחס לאינטראקציות הגרעיניות האינטראקציה האלקטרומגנטית
שמקורה בשדה המגנטי היא הפרעה. האם במהירות סיבוב סופית מסוימת
שניתן להעריך האינטראקציה האלקטרומגנטית נהיית מסדר גודל
של האינטראקציה הגרעינית? הייתי מניח שזו הסיבה לחסם על מהירות
הסיבוב המוזכר בכתבה. אפשרות נוספת היא שהחסם מגיע משדות מגנטיים
כל כך חזקים שהם מסוגלים לייצר זוגות מהוואקום ומכאן מגיע החסם.
אשמח לשמוע את דעתך בנושא.
אהוד ונטע:
למה ניוטרונים לא דועכים?
הניוטרונים אינם דועכים כיוון שגם הפרוטונים מנוונים. המודל הפשוט ביותר לגרעין לכוכב ניוטרונים מדבר על גז פרמיונים המורכב מפרוטונים, אלקטרונים וכמובן ניוטרונים – כולם מנוונים. משיקולים סטטיסטיים ברור גם שלכולם יש את אותה אנרגיית פרמי (עבור טמפ’ T=0 וזה קירוב טוב לכוכב ניוטרונים, אנרגיית פרמי היא הפוטנציאל הכימי). זו כמובן הסיבה שניוטרונים לא דועכים – זה פשוט יעלה יותר אנרגיה. המודל הזה של גז פרמיונים חופשי כמובן לא נכון, בפרט הוא מניח היעדר אינטרקציות בין פרוטונים לניוטרונים ותגובות כאלו כמובן קיימות – זו הסיבה לקיומם של גרעינים.
למה יש שם גרעינים?
בואו נחשוב על חומר בצפיפות נמוכה (נניח בחדר). אם אאסוף פרוטונים וניוטרונים, ברור שהם יעדיפו להיות בגרעינים ולא בחלקיקים נפרדים – כך הם מרוויחים את אנרגית הקשר הגרעינית. הדבר הזה נכון בצפיפויות נמוכות יחסית, ונאיבית, ב-“צפיפויות נמוכות” הכוונה היא ביחס לצפיפות הגרעינית. המשמעות היא כי בצפיפויות נמוכות מהצפיפות הגרעינית נצפה שלפחות חלק מהחומר יהיה בגרעיני אטומים וזה אכן מה שקורה בחלקים החיצוניים של כוכב ניוטרונים.
על מנת למדל את זה בפשטות יחסית, מניחים גז פרמי עבור החלקיקים החופשיים (בעיקר ניוטרונים ואלקטרונים בשלב הזה) מוסיפים לניוטרונים גם אפשרות להיות קשורים לגרעינים (את הפוטנציאל כאן מניחים ממסות ידועות של גרעינים), ואז משווים את הפוטנציאל הכימי בין הניוטרונים הקשורים לניוטרונים החופשיים.
מה שמקבלים הוא שעד בערך לצפיפויות של 6^10*5 גרם לסמ”ק (neutron drip), כלל אין ניוטרונים חופשיים. בצפיפויות גבוהות יותר, מתחילים להווצר ניוטרונים חופשיים ומהר מאד הם ששולטים בלחץ (ומכאן המודל של ניוטרונים חופשיים נעשה אפקטיבי לפחות מבחינת ההידרודימיקה של הכוכב). יותר מזה, בצפיפויות גבוהות (אנרגית פרמי גבוהה) “משתלם” לניוטרונים להספח לגרעינים כבדים מאד, כבדים בהרבה מברזל – זאת כיוון שאמנם הם משלמים בגרעין לא יציב אך מרווחים יותר בכך שהם לא צריכים לשלם בתנע חופשי. כך מקבלים במעטפות כוכבי ניוטרונים גרעינים עצומים של מאות נוקלאונים. שימו לב כי הללו רווי ניוטרונים (כי על כל פרוטון משלמים באלקטרון חופשי עם אנרגית פרמי גבוהה).
המודל הפשוט הזה נתקל במספר בעיות:
– לא ברור איך מתנהגים גרעינים גדולים כל כך, מידע תצפיתי יש רק על גרעינים קטנים בהרבה ומשם זה רק אקסטרפולציות (אף שיש די הסכמה כי התוצאה לא תהיה שונה איכותית).
– הבעיה העיקרית היא כאשר מגיעים לצפיפויות מסד”ג של הצפיפות הגרעינית (ליבת הכוכב) – מכאן ואילך החלקיקים “החופשיים” רחוקים מלהיות חופשיים – הם חווים אינטרקציות גרעיניות כל העת וכידוע לכם, האינטרקציות הללו רחוקות מלהיות מובנות.
את המאמר שקראת, ניסים, לא קרתאי. וגם לא מתכון לקרוא. כפי הנראה. אבל לפי הסטטיסטיקה אני רק מנחש ,
שמה שכתוב במאמר-סןתר את דבריך.
שמע, ניסים: נראה שאתה לא מיישם על עצמך את העצות שאתה מייעץ.
אני מציע לך לפעול אחרת ממה שאתה רגיל.
אל תהיה כסיל אתה יש לך מה ללמוד עוד הרבה ושתוק תגיד לחבר שלך. אני לא חבר שלך. ולא מעניין אותי צה אתה אומר.
קבוק
דווקא לא ויקיפדיה במקרה הזה 🙂
אבל למה לא להשמיץ אם אפשר?? מאמר שקראתי הוא http://arxiv.org/pdf/1111.3434v1.pdf
שמע קבוק – כשאין לך מה להגיד עדיף לשתוק………..
ניסו
קיבלת כבר מכתב תודה מויקיפדיה?
אהוד
הבנתי מה שאתה אומר. מצאתי כמה אתרים שאומרים הפוך ….. אבל גם מספר אתרים שאומרים כמוך. ומספר האתרים שאומרים כמוך יותר גדול …. 🙂
ניסים
שיעור נוסף במדע . נכון שלנויטרון יש שדה מגנטי אבל השדה המגנטי של הנויטרון
לא יכול ליצר שדה מגנטי לכוכב הנויטרונים משיקולי סימטריה. הכוכב נמצא במצב היסוד כך
שהפרמיונים (במקרה זה הנויטרונים) היו מנוונים, כלומר אותו מספר של נויטרונים עם
ספין בכוון אחד כמו זה בכיוון ההפוך. לכן המומנט המגנטי של הנויטרון לא יכול לתת
לכוכב הנויטרונים שדה מגנטי ויש צורך בפרוטונים.
נטע
את צודקת (אגב לא אמרתי שהנויטרונים והפרוטונים מסודרים בגרעינים).
אני חושב שהכוונה הייתה כי הסידור של הנוקליאונים בכוכב היא לא בסימטריה
כדורית. הנחת המוצא היה כי מבנה כוכב הנויטרונים יהי סידור כדורי של
נויטרונים וקצת פרוטונים אבל כנראה שהשדות המגנטיים החזקים מפרים
את המבנה הזה (מדובר בהשערה שלי לגבי הנאמר בכתבה ויש להתייחס
אליה בערבון מוגבל). אגב מעניין מה מונע מהנויטרונים לדעוך לפרוטונים?
אהוד
בלי כל קשר למה שאמרת – גם לניוטרון יש שדה מגנטי…..
אהוד ברור שמשהו צריך לתת את המטען. רק שלא אמור להיות “גרעיני אטום” אלא הנוקלאונים כולם (פרוטונים וניטרונים) אמורים להיות “כתף אל כתף” מה שאמור לתת משקל מטורף לכמות קטנה של נפח. לכן לא ברורה ההתיחסות לגרעיני אטומים שונים או לצורתם.
נקודה,
איך יאט? יכול להיות שהדברים האלו אינם קוראים?
תגיד point.com זה הדומיין שלך?
נטע
זה מצחיק אבל זו עובדה פחות ידועה לציבור הרחב, כוכב ניטרונים מורכב גם מפרוטונים
אחרת לא היה שדה מגנטי.
יכול להיות לו שדה מגנטי
מה זאת אומרת “גורם לגרעין האטומים להסתדר בצורה שאינה כדורית”?
א. באיזה צורה?
ב. חשבתי שכל הרעיון של כוכב ניטרונים זה ניטרונים צמודים זה לזה כמו גרעין ענק שמורכב רק מניטרונים.
אולי כוכבי ניוטרונים שמאטים ליותר מ12 סיבובים לשניה, קורסים אל תוך עצמם והופכים להיות כוכב קווארקים או משהו כזה?