Τα πρωτόνια μπορεί να έχουν πολύ μεγάλη επιρροή στις ιδιότητες των άστρων νετρονίων και άλλων πλούσιων σε νετρόνια αντικειμένων

Μια ακόμη νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε χθες στο περιοδικό Nature, με συνέργεια ερευνητών του ΜΙΤ, ασχολείται – έμμεσα -με τα άστρα νετρονίων. Τα άστρα αυτά είναι από τα μικρότερα και πυκνότερα άστρα στο σύμπαν, που γεννιούνται από τη βαρυτική κατάρρευση άστρων με εξαιρετικά μεγάλη μάζα. Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, τα άστρα νετρονίων συντίθενται σχεδόν εξ ολοκλήρου από νετρόνια – ουδέτερα υποατομικά σωματίδια που συμπιέζονται σε ένα μικρό, απίστευτα πυκνό ουράνιο πακέτο. Παρόλο το πλήθος των νετρονίων, η μελέτη υποστηρίζει ότι, ορισμένες ιδιότητες των άστρων νετρονίων μπορεί να επηρεάζονται όχι μόνο από το πλήθος των πυκνά συσκευασμένων νετρονίων, αλλά επίσης από ένα ουσιαστικά μικρότερο κλάσμα πρωτονίων – των θετικά φορτισμένων σωματιδίων που αποτελούν μόλις το 5% ενός άστρου νετρονίων. Αν και η μελέτη αναφέρεται στα άστρα νετρονίων, εν τούτοις οι ερευνητές δεν έφθασαν σε αυτό το αποτέλεσμα ερευνώντας τα άστρα. Στα συμπεράσματά τους οδηγήθηκαν αναλύοντας τους μικροσκοπικούς πυρήνες των ατόμων στη Γη.

Ο πυρήνας ενός ατόμου είναι γεμάτος από πρωτόνια και νετρόνια, αν και όχι τόσο συμπυκνωμένα όσο στα άστρα νετρονίων. Περιστασιακά, αν βρίσκονται σε αρκετά κοντινή απόσταση, ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο θα ζευγαρώσουν και θα κινηθούν με μεγάλη ταχύτητα μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου με ασυνήθιστα υψηλή ενέργεια. Τέτοιοι «μικρής εμβέλειας συσχετισμοί» μπορούν να συνεισφέρουν σημαντικά στο ενεργειακό ισοζύγιο και στις συνολικές ιδιότητες ενός δεδομένου ατομικού πυρήνα.

Οι ερευνητές έψαξαν για σημάδια ζευγαριών πρωτονίου-νετρονίου σε άτομα άνθρακα, αργιλίου, σιδήρου και μολύβδου, καθένα με προοδευτικά μεγαλύτερο λόγο νετρονίων προς πρωτόνια. Αυτό που βρήκαν είναι ότι καθώς ο αριθμός των νετρονίων σε ένα άτομο αυξάνονταν, αυξάνονταν και η πιθανότητα ότι ένα πρωτόνιο θα σχημάτιζε ένα ενεργητικό ζεύγος. Η πιθανότητα ότι ένα νετρόνιο θα ζευγάρωνε, ωστόσο, παρέμενε περίπου η ίδια. Αυτό το εύρημα οδηγεί στην υπόθεση ότι τα πρωτόνια παίζουν ένα σημαντικό ρόλο, φαίνεται ότι σε αντικείμενα με υψηλές πυκνότητες νετρονίων – όπως τα άστρα νετρονίων, για παράδειγμα – η μειονότητα των πρωτονίων φέρει ένα δυσανάλογα μεγάλο μέρος της μέσης ενέργειας.

Όπως αναφέρει ο ένας εκ των συγγραφέων της μελέτης, Or Hen, επίκουρος καθηγητής Φυσικής στο MIT, στην ιστοσελίδα ειδήσεων του ιδρύματος: «Θεωρούμε ότι όταν έχετε έναν πυρήνα πλούσιο σε νετρόνια, τα πρωτόνια κινούνται ταχύτερα από ότι τα νετρόνια, έτσι κατά μια έννοια, τα πρωτόνια είναι φορείς της δράσης. Μπορούμε απλά να φανταστούμε τι μπορεί να συμβαίνει σε ένα ακόμη πυκνότερο με νετρόνια αντικείμενο όπως ένα άστρο νετρονίων. Ακόμη και αν τα πρωτόνια είναι μειονότητα στο άστρο, θεωρούμε ότι η μειονότητα κυβερνά. Τα πρωτόνια φαίνονται να είναι πολύ ενεργά και πιστεύουμε ότι μπορεί να προσδιορίζουν αρκετές ιδιότητες του άστρου».

Ο Hen και οι συνάδελφοί του βάσισαν τη μελέτη τους σε δεδομένα που συλλέχθηκαν με τον σωματιδιακό επιταχυντή και ανιχνευτή CLAS [CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) Large Acceptance Spectrometer] που λειτούργησε στο Εργαστήριο Jefferson στη Virginia από το 1998 μέχρι το 2012 ανιχνεύοντας και καταγράφοντας το πλήθος των σωματιδίων που εκπέμπονταν όταν δέσμες ηλεκτρονίων έπλητταν ατομικούς στόχους. Βασισμένη, η ερευνητική ομάδα, στη λογική ότι τα δεδομένα ενός ανιχνευτή που πιθανώς για κάποιους είναι «θόρυβος» για άλλους ερευνητές θα μπορούσαν να θεωρηθούν σήματα, έψαξαν στο αρχείο του συγκεκριμένου ανιχνευτή για μικρής εμβέλειας συσχετισμούς – αλληλεπιδράσεις που δεν υπήρχε απαραίτητα θέληση να παραχθούν, αλλά παρόλα αυτά καταγράφηκαν. Η λογική που υπήρξε ήταν: ας «σκάψουμε» στα δεδομένα και ας δούμε αν υπάρχει κάτι ενδιαφέρον εκεί, εννοείται σε σχέση με μια επιστημονική υπόθεση που εκ των προτέρων τέθηκε.

Εξορύξεις … δεδομένων και χοροί
Η ομάδα επέλεξε να «εξορύξει» δεδομένα που συλλέχθηκαν τη χρονιά 2004, κατά τη διάρκεια πειράματος στο οποίο δέσμες ηλεκτρονίων στόχευαν άτομα άνθρακα, αργιλίου, σιδήρου και μολύβδου, με σκοπό την παρατήρηση του πώς τα σωματίδια που παράγονται από τις πυρηνικές αλληλεπιδράσεις κινούνται μέσω του αντίστοιχα μεγαλύτερου όγκου του κάθε ατόμου. Επιπροσθέτως με τα ποικίλα μεγέθη τους, κάθε ένας από τους τέσσερις τύπους ατόμων έχει διαφορετικό λόγο νετρονίων προς πρωτόνια στους πυρήνες τους, με τον άνθρακα να έχει τα λιγότερα νετρόνια και τον μόλυβδο τα περισσότερα. Η συνολική μελέτη πραγματοποιήθηκε από ένα διεθνή συνεργασία, αποτελούμενη από 182 μέλη από 42 ιδρύματα σε 9 χώρες.

Η ομάδα μελέτησε τα δεδομένα για σημάδια υψηλής ενέργειας πρωτόνια και νετρόνια – ένδειξη ότι τα σωματίδια είχαν ζευγαρώσει – και εάν η πιθανότητα του ζευγαρώματος άλλαζε καθώς αυξανόταν ο λόγος νετρονίων προς πρωτόνια. «Θέλαμε να αρχίσουμε από ένα συμμετρικό πυρήνα και να δούμε, καθώς προσθέτουμε περισσότερα νετρόνια, πώς εξελίσσονται τα πράγματα», αναφέρει ο Hen στο MIT News. «Δεν θα κάναμε ποτέ τις συμμετρίες των άστρων νετρονίων εδώ στη Γη, όμως θα μπορούσαμε τουλάχιστον να δούμε κάποια τάση και να κατανοήσουμε από αυτή, τι θα μπορούσε να συμβαίνει στο άστρο». Στο τέλος η ομάδα παρατήρησε ότι καθώς ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα ενός ατόμου αυξανόταν, η πιθανότητα των πρωτονίων που έχουν μεγάλες ενέργειες (και που έχουν ζευγαρώσει με ένα νετρόνιο) επίσης αυξάνονταν σημαντικά, ενώ η ίδια πιθανότητα για τα νετρόνια παρέμενε η ίδια.

Η αναλογία που ο Hen χρησιμοποίησε είναι αυτή ενός χορού, όπου πρέπει να χορεύουν ζευγάρια αγοριών και κοριτσιών με τα κορίτσια να είναι πολύ περισσότερα από τα αγόρια στη σάλα του χορού. «Αυτό που θα συμβεί», συνεχίζει, «είναι ότι ο μέσος όρος των αγοριών θα χορέψει πολύ περισσότερο, έτσι που ακόμα και αν είναι μειονότητα στο χορό, τα αγόρια, όπως τα πρωτόνια, θα είναι περισσότερο ενεργά». Όπως σημειώνει, αυτή η τάση των ενεργητικών πρωτονίων σε πλούσια σε νετρόνια άτομα μπορεί να επεκταθεί σε ακόμη πιο πυκνά σε νετρόνια αντικείμενα, όπως τα άστρα νετρονίων. Ο ρόλος των πρωτονίων σε αυτά τα ακραία αντικείμενα μπορεί τότε να είναι πολύ περισσότερο σημαντικός από ότι προηγουμένως ο κόσμος υπέθετε.

Η αποκάλυψη αυτή μπορεί να αναδιοργανώσει την κατανόηση των επιστημόνων στο πώς συμπεριφέρονται τα άστρα νετρονίων. Για παράδειγμα, καθώς τα πρωτόνια μπορεί να φέρουν σημαντικά περισσότερη ενέργεια από ότι θεωρείτο προηγουμένως, μπορεί να συνεισφέρουν σε ιδιότητες ενός άστρου νετρονίων, όπως η δυσκαμψία του, ο λόγος της μάζας προς το μέγεθός του και η διεργασία ψύξης του. «Όλες αυτές οι ιδιότητες επηρεάζουν το πώς συγχωνεύονται δυο άστρα νετρονίων, που θεωρούμε ότι είναι μια από τις κύριες διεργασίες που δημιουργούν βαρύτερους από αυτόν του σιδήρου πυρήνες, όπως του χρυσού. Τώρα που γνωρίζουμε ότι το μικρό κλάσμα πρωτονίων στο άστρο είναι υψηλά συσχετιζόμενο, θα πρέπει να ξανασκεφτούμε πώς [τα άστρα νετρονίων] συμπεριφέρονται», αναφέρει ο Hen.