Πιστεύεται ότι οι συγκρούσεις των αστέρων νετρονίων μπορούν να δημιουργήσουν πολύτιμα μέταλλα όπως χρυσό και πλατίνα. Οι ιδιότητες των αστέρων αυτών αποτελούν ακόμη αίνιγμα, η λύση όμως ίσως να βρίσκεται σε ένα από τα μικρότερα δομικά στοιχεία στη Γη· στον πυρήνα ενός ατόμου, συγκεκριμένα του μολύβδου. Το έργο της αποκάλυψης των μυστικών της ισχυρής αλληλεπίδρασης (ή ισχυρής πυρηνικής δύναμης) η οποία διέπει το εσωτερικό των αστέρων νετρονίων, από έναν ατομικό πυρήνα, έχει αποδειχθεί δύσκολο έργο. Όμως τώρα, ένα νέο υπολογιστικό μοντέλο από το Chalmers University of Technology στην Σουηδία, είναι σε θέση να να μας δώσει απαντήσεις.
Οι ερευνητές του Chalmers, με μία πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό “Nature Physics”, παρουσιάζουν μια σημαντική εξέλιξη στην προσπάθεια κατανόησης του πυρήνα του μολύβδου, αυτού του βαρέος και σταθερού στοιχείου του.
Η ισχυρή δύναμη παίζει τον κύριο ρόλο
Η διαφορά μεγέθους μεταξύ ενός μικροσκοπικού ατομικού πυρήνα και ενός αστέρα νετρονίων με διάμετρο αρκετών χιλιομέτρων είναι τεράστια, όμως οι ιδιότητές τους διέπονται, σε μεγάλο βαθμό, από την ίδια φυσική. Ο κοινός παρονομαστής είναι η ισχυρή αλληλεπίδραση που κρατάει μαζί τα σωματίδια -πρωτόνια και νετρόνια- σε έναν ατομικό πυρήνα.
Η ίδια δύναμη είναι αυτή που εμποδίζει ένα αστέρι νετρονίων να καταρρεύσει. Παρά το ότι η ισχυρή αλληλεπίδραση αποτελεί ένα από τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος, είναι δύσκολο να συμπεριληφθεί στα υπολογιστικά μοντέλα, ιδίως όταν πρόκειται για βαρείς ατομικούς πυρήνες πλούσιους σε νετρόνια, όπως ο μόλυβδος. Ως εκ τούτου, οι πολύπλοκοι υπολογισμοί των ερευνητών, τους έχουν αφήσει με πολλά άλυτα θέματα.
Ένας αξιόπιστος τρόπος για υπολογισμούς
«Για να κατανοήσουμε το πώς λειτουργεί η ισχυρή αλληλεπίδραση σε ύλη που είναι πλούσια σε νετρόνια, χρειαζόμαστε ουσιαστικές συγκρίσεις μεταξύ θεωρίας και πειράματος. Πέρα από τις παρατηρήσεις που γίνονται σε εργαστήρια και με τηλεσκόπια, απαραίτητες είναι επίσης και οι αξιόπιστες θεωρητικές προσομοιώσεις. Η πρόοδος που σημειώσαμε σημαίνει πως καταφέραμε να πραγματοποιήσουμε τέτοιους υπολογισμούς για το βαρύτερο σταθερό στοιχείο· τον μόλυβδο», λέει ο Andreas Ekström, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Chalmers και ένας από τους κύριους συγγραφείς του άρθρου.
Το νέο μοντέλο του Chalmers, το οποίο αναπτύχθηκε από κοινού με ερευνητές από την Βόρεια Αμερική και της Αγγλία, τώρα ανοίγει το δρόμο. Επιτρέπει υψηλής ακρίβειας προβλέψεις για τις ιδιότητες του ισοτόπου 208Pb και το -όπως αποκαλείται- “δέρμα νετρονίων” του.
Το πάχος του δέρματος έχει σημασία
Τα 126 νετρόνια του ατομικού πυρήνα του 208Pb σχηματίζουν ένα εξωτερικό περίβλημα, το οποίο μπορεί να περιγραφεί ως δέρμα. Το πόσο παχύ είναι αυτό το δέρμα συνδέεται άμεσα με τις ιδιότητες της ισχυρής αλληλεπίδρασης. Προβλέποντας το πάχος του δέρματος νετρονίων, μπορούμε να αυξήσουμε την γνώση μας σχετικά με το πώς λειτουργεί η ισχυρή αλληλεπίδραση, τόσο στους ατομικούς πυρήνες όσο και στα αστέρια νετρονίων.
«Η πρόβλεψή μας δείχνει πως το δέρμα νετρονίων είναι εξαιρετικά λεπτό, κάτι που μπορεί να προσφέρει νέες γνώσεις για τη δύναμη μεταξύ των νετρονίων. Μια πρωτοποριακή πτυχή του μοντέλου μας είναι ότι όχι μόνο παρέχει προβλέψεις, αλλά έχει επίσης την ικανότητα να εκτιμά θεωρητικά περιθώρια σφάλματος. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την επίτευξη επιστημονικής προόδου», δηλώνει ο επικεφαλής της έρευνας Christian Forssén, καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Chalmers.
Μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την εξάπλωση του κορωνοϊού
Για την ανάπτυξη του νέου υπολογιστικού μοντέλου, οι ερευνητές συνδύασαν θεωρίες με δεδομένα από προηγούμενες πειραματικές μελέτες. Στη συνέχεια, οι σύνθετοι αυτοί υπολογισμοί συνδυάστηκαν με μια στατιστική μέθοδο, η οποία είχε χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για την προσομοίωση του πιθανού εύρους εξάπλωσης του κορωνοϊού.
Με το νέο μοντέλο για το μόλυβδο, είναι πλέον δυνατό να αξιολογηθούν οι διάφορες επιστημονικές υποθέσεις σχετικά με την ισχυρή αλληλεπίδραση. Το μοντέλο δίνει επίσης τη δυνατότητα να γίνουν προβλέψεις και για άλλους ατομικούς πυρήνες, από τον ελαφρύτερο έως και τον βαρύτερο.
Η εξέλιξη αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε πολύ πιο ακριβή μοντέλα των αστέρων νετρονίων και, άρα, σε καλύτερη κατανόηση για το πώς αυτοί σχηματίζονται.
«Στόχος μας είναι να κατανοήσουμε καλύτερα το πώς συμπεριφέρεται η ισχυρή δύναμη, τόσο στα αστέρια νετρονίων όσο και στους ατομικούς πυρήνες. Αυτό οδηγεί την έρευνα ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση του πώς ο χρυσός, για παράδειγμα, αλλά και άλλα στοιχεία θα μπορούσαν να δημιουργηθούν στους αστέρες νετρονίων· και, τελικά, αφορά την ίδια την κατανόηση του σύμπαντος», εξηγεί ο Christian Forssén.
Παραπομπές: Hu, B., Jiang, W., Miyagi, T. et al. Ab initio predictions link the neutron skin of 208Pb to nuclear forces. Nat. Phys. 18, 1196–1200 (2022).
Πηγή: https://phys.org/