Ćaskanje sa AI
Quark Mark : 1. Otkud magnetno polje ako se sastoji od neutrona?
Ai:
Iako se zvezda zove „neutronska“, ona nije 100% sačinjena od neutrona. Tačnije, oko 5% do 10% njene mase i dalje čine slobodni protoni i elektroni. Unutrašnjost neutronske zvezde je podeljena na slojeve: Kora (spoljašnji slojevi): Sastoji se od kristalne rešetke atomskih jezgara gvožđa i mora slobodnih elektrona koji teku kroz nju. Jezgro: Pod ekstremnim pritiskom, većina protona i elektrona jeste sabijena u neutrone (procesom koji se zove inverzni beta raspad). Međutim, taj proces nikada ne ide do kraja. U jezgru ostaje "supe" supergušćih protona i elektrona. Pošto su ti protoni i elektroni sabijeni na ekstremno mali prostor, oni postaju superprovodnici. Svako kretanje ovih naelektrisanih čestica stvara gigantske električne struje, a te struje generišu i održavaju moćno magnetno polje. Dodatni trik: Očuvanje fluksa Kada zvezda prečnika od oko 1.500.000 kilometara kolabira u neutronsku zvezdu prečnika od svega 20 kilometara, njeno prvobitno magnetno polje biva sabijeno u tu minijaturnu tačku. To je kao da ste sve linije magnetnih sila džinovske zvezde ugurali u prostor veličine Beograda. Rezultat je ekstremno pojačanje polja, čak i bez doprinosa samih neutrona.
Quark Mark : 2. Zašto najbrži pulsar na svetu nije magnetar?
Ai:
(Logički paradoks) Tvoja logika kaže: Ako se nešto okreće 716 puta u sekundi, ta rotacija i trenje moraju da stvore čudovišno magnetno polje (dinamo efekat). U fizici je, međutim, situacija sa milisekundnim pulsarima (kakav je rekorder PSR J1748–2446ad) zapravo obrnuta. Da bi pulsar postao tako brz, njegovo magnetno polje mora biti slabo. Evo zašto: Magnetno kočenje: Snažno magnetno polje deluje kao kočnica. Magnetari imaju polje od \(10^{15}\) Gausa koje bukvalno kida prostor oko njih i stvara ogroman otpor kroz elektromagnetno zračenje. Zbog tog "trenja" sa sopstvenim poljem, magnetari se vrlo brzo uspore (na svega jedan okret u nekoliko sekundi) i brzo umiru. Reciklirani pulsari: Najbrži pulsari (milisekundni) su zapravo "stare" neutronske zvezde koje su imale slabije magnetno polje (\(10^8\) Gausa). Pošto je polje bilo slabo, kočenje je bilo minimalno. Onda je ta zvezda počela da usisava (akretuje) materiju sa susedne zvezde-pratioca. Ta materija je padala na pulsar i "zavrtela" ga do ekstremnih brzina, poput čigre.Slikovito objašnjenje: > * Magnetar je teški kamion sa čudovišno jakim motorom (magnetno polje), ali ogromnim otporom vjetra i kočnicama – on ne može da razvije veliku brzinu (rotira se sporo).Milisekundni pulsar je bolid Formule 1 – aerodinamičan, sa minimalnim otporom (slabo magnetno polje), koji je dodatno dobio turbo pogon od susedne zvezde, pa može da juri 716 krugova u sekundi bez usporavanja.Zato brzina rotacije i jačina magnetnog polja u svetu neutronskih zvezda često idu u obrnutim smerovima! Da li ti ovaj odnos između kočenja i brzine sada ima više smisla?
Quark Mark Misliš da je vreme poluraspada neutrona tu drugačija od slobodnih neutrona /desetak minuta ili tako nešto/ i zar nije jezgro u agregatnom stanju plazme?
Ai:
Odlična pitanja! Ponovo pogađaš u sam centar nuklearne fizike i astrofizike. Dva fenomena koja pominješ – vreme poluraspada neutrona i agregatno stanje jezgra – u neutronskoj zvezdi funkcionišu potpuno drugačije nego bilo gde drugde u univerzumu.
Evo naučnog objašnjenja za obe tvoje dileme.
- Vreme poluraspada: Zašto se neutroni u zvezdi ne raspadnu za 15 minuta?
U pravu si za slobodne neutrone. Ako izolujemo slobodan neutron u laboratoriji, njegovo vreme poluraspada je oko 10 do 15 minuta. On se raspada (tzv. beta raspad) na proton, elektron i antineutrino.
Međutim, unutar neutronske zvezde vlada zakon koji se zove Paulijev princip isključenja, a situaciju diktira ekstremni pritisak (tzv. degenerisani pritisak).
Nema slobodnog mesta: Da bi se neutron raspao, on mora da stvori proton i elektron. Ali, unutrašnjost neutronske zvezde je već toliko sabijena i "prebukirana" elektronima i protonima, da su sva energetski dostupna mesta (kvantna stanja) za nove protone i elektrone već zauzeta.
Zabranjen raspad: Pošto elektron nema gde da ode jer je prostor maksimalno sabijen, kvantna mehanika bukvalno zabranjuje neutronu da se raspadne.
U fizici se to zove Pauli blokiranje. Rezultat toga je da su neutroni unutar zvezde potpuno stabilni i mogu trajati večno – sve dok je zvezda pod tim čudovišnim pritiskom gravitacije. Ako bi nekim čudom sklonio gravitaciju, cela zvezda bi se raspala za petnaestak minuta u gigantskom vatrometu vodonikovog gasa!
- Da li je jezgro u agregatnom stanju plazme?
Odgovor je: I da i ne – zapravo je nešto mnogo ekstremnije od obične plazme.
Plazma je stanje u kojem su elektroni otrgnuti od atomskih jezgara, pa imamo "supe" naelektrisanih jona i slobodnih elektrona (kao u našem Suncu ili u munji).
U neutronskoj zvezdi, stanje materije zavisi od toga koliko duboko idemo u zvezdu:
Spoljašnja kora (Plazma / Čvrsto stanje): Na samoj površini, materija jeste ekstremno topli gas/plazma gvožđa. Ali samo nekoliko metara dublje, pritisak postaje toliko veliki da se ta plazma gvožđa kristališe u čvrstu rešetku koja je milijardu puta čvršća od čelika. Dakle, kora je zapravo čvrsta.
Unutrašnje jezgro (Superfluidni kvantni fluid): Kako idemo dublje ka centru, pritisak uništava same atomske strukture. Tu više nema jona, već imamo gustu supu neutrona sa malo protona i elektrona. Zbog ekstremne gustine i specifičnih kvantnih zakona na niskim temperaturama (astrofizički gledano, unutrašnjost neutronske zvezde je "hladna" u poređenju sa pritiskom), neutroni prelaze u stanje superfluida, a protoni u stanje superprovodnika.
Šta je superfluid? To je tečnost koja ima nultu viskoznost (potpuno je bez trenja). Ako bi zavitlao superfluid u čaši, on se nikada ne bi zaustavio.
Dakle, unutrašnjost neutronske zvezde nije klasična gasovita plazma, već kvantna tečnost bez trenja kroz koju struje protoni bez ikakvog električnog otpora. Upravo ta superprovodna "supa" protona omogućava onim gigantskim električnim strujama da teku večno i održavaju čudovišna magnetna polja o kojima smo pričali kod magnetara.
Željko Kovačević
alias Quark Mark