Što se zapravo skriva u srcu neutronskih zvijezda pitanje je koje fizika pokušava riješiti desetljećima, jer je riječ o objektima toliko gustima da im tvar doseže nekoliko puta veće gustoće od gustoće atomskih jezgri, a njihova gravitacija zaostaje samo za crnim rupama. Sada je skupina fizičara iz Sjedinjenih Država i Indije napravila važan teorijski korak koji bi mogao pomoći da se iz gravitacijskih valova napokon iščitaju tragovi o unutrašnjosti tih zvjezdanih ostataka. Upravo u tome leži važnost novog rada: ako je model točan, buduća mjerenja mogla bi približiti odgovor na pitanje od čega su neutronske zvijezde doista građene.
Iako im ime sugerira da su sastavljene ponajprije od neutrona, priča je složenija. Vodeće teorije pretpostavljaju da u njima važnu ulogu imaju i teški elementi, slobodni elektroni i slobodni protoni, dok neki fizičari sumnjaju da se dublje prema jezgri pojavljuju i kvantna stanja poput supertekućine i supravodljivosti. Problem je u tome što se takve pretpostavke vrlo teško provjeravaju, pa je sastav unutrašnjosti, osobito jezgre, i dalje velika nepoznanica.
To pitanje nadilazi same neutronske zvijezde. Fizičari smatraju da bi one mogle otkriti nešto općenitije o tvari u krajnjim uvjetima, uključujući i stanja povezana s kvark-gluonskom plazmom, iznimno gustom i vrućom tvari sastavljenom od kvarkova, osnovnih gradivnih blokova protona i neutrona. Takva je tvar postojala u prvim mikrosekundama nakon Velikog praska, a na Zemlji se može proučavati samo posredno, sudaranjem čestica u akceleratorima i to pri vrlo visokim temperaturama. Za proučavanje pri nižim temperaturama laboratorijska metoda zasad ne postoji, pa svemir ostaje jedini pravi pokusni prostor. Profesor Nicolás Yunes sa Sveučilišta Illinois Urbana-Champaign upravo zato neutronske zvijezde opisuje kao prirodni laboratorij za fiziku vrlo guste tvari pri razmjerno niskim temperaturama.
Tragovi skriveni u sudaru
Zato su znanstvenici posljednjih godina sve više okrenuti gravitacijskim valovima koje emitiraju parovi neutronskih zvijezda dok kruže jedna oko druge i postupno se približavaju. Takvi sustavi gube energiju zračenjem valova kroz prostorvrijeme, pa spirale postaju sve tješnje, sve do konačnog sudara. U tom procesu svaka zvijezda gravitacijom povlači svoju pratilju i stvara plimne sile, slično kao što Mjesec djeluje na Zemlju, samo na neusporedivo ekstremnijoj razini.
Kako se zvijezde približavaju, te sile ih deformiraju. Kolika će deformacija biti ovisi o tome što se nalazi u njihovoj unutrašnjosti. Te deformacije zatim pobuđuju karakteristične obrasce titranja unutar zvijezda, slično kao što udarac pobuđuje zvonjavu zvona. Upravo ti obrasci ostavljaju trag u gravitacijskim valovima koji putuju svemirom i koje osjetljivi detektori na Zemlji mogu zabilježiti. Ako se ti tragovi ispravno protumače, mogli bi otkriti frekvencije tih titranja i brzinu njihova prigušenja, a time i dati uvid u sastav neutronskih zvijezda u području fizike koje nije dostupno zemaljskim pokusima.
Tu nastaje pravi izazov. Ako znanstvenici iz gravitacijskih valova žele iščitati što se događa u unutrašnjosti neutronske zvijezde, najprije moraju vrlo precizno opisati kako se ona ponaša pod djelovanjem plimnih sila. A te sile nisu stalne ni jednostavne. Mijenjaju se brzo, osobito u završnim trenucima kada se dvije zvijezde spiralno približavaju jedna drugoj prije sudara.
U klasičnoj Newtonovoj slici gravitacije taj je problem već dobro poznat za sporija, nerelativistička tijela. Ondje se odgovor objekta na plimno djelovanje može opisati kao skup karakterističnih obrazaca titranja koji se ponašaju poput prigušenih harmonijskih oscilatora. Još je važnije to što se cijeli plimni odziv može svesti upravo na taj potpuni skup titranja, bez skrivenog “ostatka” koji bi izmaknuo modelu. Upravo je to presudno, jer ako taj skup nije potpun, dio fizike mogao bi ostati neuhvaćen.
Kod neutronskih zvijezda stvar je mnogo zamršenija. Riječ je o ekstremno gustim, izrazito relativističkim objektima koji neposredno prije spajanja mogu doseći brzine i do 40 posto brzine svjetlosti. U takvim uvjetima snažno iskrivljuju prostorvrijeme oko sebe, pa matematički opis njihova ponašanja postaje znatno teži. Zato je dugo ostalo otvoreno pitanje mogu li se i kod njih plimni učinci doista opisati potpunim skupom karakterističnih titranja.
Dio problema leži u samoj prirodi binarnog sustava. Budući da su u igri dvije zvijezde, nije lako jasno razdvojiti učinak jedne od učinka druge. Osim toga, vlastita gravitacija svake zvijezde mijenja jednadžbe i u njezinoj unutrašnjosti i u prostoru oko nje, što dodatno komplicira račun. Tu se javlja i još jedna poteškoća: sustav neprestano gubi energiju emitiranjem gravitacijskih valova. A kada energija “curi” iz sustava, više nije unaprijed jasno da će takav opis kroz potpuni skup titranja uopće vrijediti.
Kako su složili jednadžbe
Da bi zaobišao te prepreke, Yunesov tim razložio je problem na manje i matematički podatnije cjeline. U središte analize stavili su jednu neutronsku zvijezdu, dok su njezinu pratilju promatrali kao izvor plimnog djelovanja. Polazište su bile linearizirane Einstein-Eulerove jednadžbe, koje opisuju kako tvar oblikuje gravitacijsko polje i kako se pritom ponaša u zakrivljenom prostorvremenu. Zatim su prostor podijelili na dvije ključne regije: područje jake gravitacije u blizini zvijezde i područje slabe gravitacije dalje od nje.
Fizički gledano, zamisao je prilično jasna. Unutar zvijezde i uz njezinu površinu gravitacija je iznimno snažna, dok s udaljenošću slabi. Istraživači su zato primijenili postupak poznat kao usklađeno asimptotsko razvijanje. To u praksi znači da se sustav promatra na različitim mjerilima, za svako se traže približna rješenja, a potom se ta rješenja pažljivo spajaju u jednu dosljednu cjelinu. Upravo im je to povezivanje opisa iz područja jake i slabe gravitacije omogućilo da korak po korak uvedu ispravne rubne uvjete. Presudan je bio i doprinos područja slabe gravitacije, jer je upravo ono omogućilo da se učinak zračenja učinkovito izdvoji iz analize.
Tim je pritom razvio i način za određivanje plimnog polja unutar same zvijezde. Preoblikovanjem Einstein-Eulerovih jednadžbi pokazali su da se unutarnje plimno polje može promatrati kao pokretač oscilacija. Ako se to polje mijenja glatko, bez naglih prekida i oštrih prijelaza, jednadžbe ponovno daju isti tip rješenja kakav je poznat iz klasične fizike: karakteristične obrasce titranja koji se ponašaju poput harmonijskih oscilatora. Drugim riječima, uspjeli su pokazati dvije važne stvari. Prvo, da se doprinos zračenja može odvojiti tako da ti obrasci titranja doista čine potpun opis odziva neutronske zvijezde. Drugo, da se i u okviru opće teorije relativnosti, uz dovoljno glatko plimno polje, može dobiti fizika koja je u bitnom smislu usporediva s onom iz Newtonove teorije.
Ipak, put do izravnih otkrića o unutrašnjosti neutronskih zvijezda još nije posve otvoren. Yunes upozorava da omjer signala i šuma u podacima koje je suradnja LIGO prikupila 2017. nije dovoljno velik da bi se u njima jasno prepoznale pojedinosti koje novi model opisuje. Uz to, današnji detektori nisu dovoljno osjetljivi na više frekvencije, upravo ondje gdje se skriva velik dio informacija o karakterističnim titranjima neutronskih zvijezda.
Zato se velika očekivanja polažu u novu generaciju detektora koja bi trebala početi raditi u idućim godinama, kao i u mogućnost da se zabilježi dovoljno blizak događaj spajanja. Tek bi spoj osjetljivijih instrumenata i snažnijeg signala mogao otvoriti put prema odgovorima na neka od najdubljih pitanja moderne astrofizike: krije li se u jezgri neutronske zvijezde doista kvarkovna jezgra i događaju li se u njezinoj unutrašnjosti prijelazi između faza tvari koje još ne razumijemo.
Do tada teorija ima vremena sazreti. Tim već planira proširiti svoj okvir na rotirajuće neutronske zvijezde, a većina ih se u prirodi doista vrlo brzo vrti, zatim na nelinearne plimne sile i na uključivanje negravitacijskih polja, poput magnetskog. Najteži dio, kako ističu, bio je riješiti samu gravitaciju. Sada, kada je taj problem napokon savladan, fizičari prvi put imaju model koji bi jednoga dana gravitacijske valove mogao pretvoriti u svojevrsan zapis onoga što se događa duboko u unutrašnjosti nekih od najekstremnijih objekata u svemiru.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
