Plazma kwarkowo-gluonowa może być zapalnikiem wybuchu supernowych

W bardzo masywnych gwiazdach może powstawać plazma kwarkowo-gluonowa – ustaliła międzynarodowa grupa badaczy pod kierunkiem dra hab. Tobiasa Fischera z UWr. Ich zdaniem pojawienie się tych egzotycznych cząstek w ekstremalnych warunkach może prowadzić do wybuchów supernowych.

Swoją teorię naukowcy opisali w prestiżowym piśmie Nature Astronomy. Ich zdaniem dzięki otrzymanym wynikom możliwe będzie badanie materii znanej jako plazma kwarkowo-gluonowa w kontekście przyszłych eksplozji galaktycznych. A to pozwoli odpowiedzieć na pytanie, skąd wzięły się ciężkie pierwiastki w początkowej fazie ewolucji Wszechświata.

Wybuchy masywnych gwiazd znane jako supernowe to zjawiska zaliczane do najbardziej energetycznych eksplozji we Wszechświecie. Na temat istnienia materii znanej jako plazma kwarkowo-gluonowa spekulowano już od dawna. Dzięki inicjatywie dra hab. Tobiasa Fischera z Zakładu Teorii Cząstek Elementarnych Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego (UWr) i współpracującemu z nim międzynarodowemu zespołowi badaczy (m.in. z Darmstadt) – po raz pierwszy pokazano, że pojawienie się egzotycznych cząstek w ekstremalnych warunkach może prowadzić do wybuchu supernowych.

Supernowa to wybuch kończący życie gwiazdy. Wyróżnia się dwa rodzaje supernowych – termojądrowe wybuchy białych karłów i tzw. supernowe typu grawitacyjnego, powstałe wskutek kolapsu grawitacyjnego. I to ten ostatni rodzaj supernowych badają naukowcy z Wrocławia.

Dr Fischer przypomina, że zwyczajna materia składa się z atomów. W gwiazdach ciśnienie jest jednak tak wysokie, że materia w formie jąder atomowych przestaje istnieć i rozpada się na składowe - protony i neutrony - dobrze znane fundamentalne cząstki.

Jeśli jednak taka materia zostanie jeszcze bardziej ściśnięta, tzn. jeśli ciśnienie gwiazdy jest jeszcze większe, neutron i proton również rozkładają się na swoje składowe. Te składowe znane są jako kwarki i gluony – wyjaśnił naukowiec. Ich istnienie zostało potwierdzone w zderzaczu RHIC w Brookhaven w 2004 r, gdzie udało się na ułamek sekundy wytworzyć plazmę kwarkowo-gluonową.

Badania zespołu dra Fischera skupiają się na możliwości istnienia plazmy kwarkowo-gluonowej w masywnych gwiazdach. Udało się im odkryć, że może ona powstawać w bardzo masywnych gwiazdach, nawet 50-krotnie cięższych od Słońca. Co więcej, może być ona zapalnikiem wybuchu tych masywnych gwiazd" - wyjaśnił dr Fischer.

Sama idea badania zrodziła się 10 lat temu. Pojawił się wówczas pomysł, że przejście zwykłej materii do plazmy kwarkowo-gluonowej może być kluczowe dla powstawania supernowych typu grawitacyjnego.

Przeszło mi przez myśl, że zjawisko pojawienia się egzotycznych stanów skupienia może być istotne dla bardzo masywnych gwiazd, 50 razy cięższych od Słońca. Od tego momentu nasze badania były skupione wokół tego scenariusza i badania podstawowych zjawisk: jak możemy zrozumieć przejście ze zwyczajnej materii do egzotycznej plazmy kwarkowo-gluonowej, i jaki może mieć to wpływ na wybuchy masywnych gwiazd – wymienia fizyk.

Dokładniejsze ustalenia to jednak kwestia ostatnich pięciu lat i współpracy dra Fishera z grupą badawczą na UWr. Dzięki połączeniu ekspertyz z dziedziny fizyki cząstek elementarnych, fizyki jądrowej, astrofizyki, a także przy pomocy zagranicznych współpracowników, możliwe było pokonanie poprzednich niedociągnięć, czego wynikiem jest publikacja w Nature Astronomy – dodał naukowiec.

Jak opowiada, pomysły fizyków zostały zestawione z obserwacjami astronomów. „Zaglądając” w wybuchy masywnych gwiazd w odległych galaktykach, znaleźli oni pozostałości po masie odpowiadającej 50-60 masom Słońca, które powinny być powiązane z wybuchami supernowych. Nikt wcześniej nie potrafił wyjaśnić ich istnienia. Jesteśmy pierwszymi, którzy znaleźli możliwy fizyczny mechanizm, który można użyć do wyjaśnienia, jak do takich wybuchów dochodzi - podkreślił dr Fischer.

Zaproponowany przez wrocławskich naukowców scenariusz to teoria. Jednak przewidzieli oni możliwy do zaobserwowania sygnał emisji cząstek – neutrin. Są one znane od momentu zaobserwowania ostatniej supernowej typu kolapsu grawitacyjnego, Supernova1987A. Doszło do niej w Wielkim Obłoku Magellana – galaktyce karłowatej, która krąży wokół naszej Drogi Mlecznej. Supernowa 1987A była tak blisko, że wyprodukowane w niej neutrina można było wykryć na Ziemi.

Wiemy więc, że neutrina są produkowane w supernowej w dużych ilościach i są one niejako wskaźnikiem mechanizmu supernowej, mechanizmu napędzającego wybuch. Jeśli więc dojdzie w najbliższej przyszłości do takiego zjawiska, a neutrina z tej supernowej – podróżujące z prędkością bliską prędkości światła, dotrą do Ziemi – będziemy w stanie je zidentyfikować i w zasadzie, dzięki tym superszybkim cząstkom, potwierdzić zaproponowany przez nas scenariusz – ocenił.

Jak dodał, detektory obecnej generacji (np. Superkamiokande w Japonii), są w stanie zaobserwować tysiące czy dziesiątki tysięcy tych cząstek powstałych w supernowej. Aby potwierdzić swoją teorię, naukowcy muszą poczekać do następnej supernowej (ostatnią obserwowano 30 lat temu).

Powinniśmy zaobserwować supernową w ciągu najbliższych 10 lat. Jesteśmy bowiem pewni, że doszło już do wybuchu masywnej gwiazdy, ale neutrina i światło potrzebuje czasu, by dotrzeć do Ziemi. Musimy więc być cierpliwi. Obserwacje potwierdzą nasz scenariusz, choć mogą też go obalić – istnieje również taka możliwość – zastrzegł fizyk.

Jakie znaczenie może mieć potwierdzenie tego scenariusza? Supernowe typu grawitacyjnego powstałe w wyniku wybuchu gwiazd 10 razy cięższych od Słońca, uważane są za główne źródło pierwiastków we Wszechświecie, zwłaszcza cięższych niż żelazo – tj. złota, ołowiu, uranu czy plutonu.

Powstają one w takich wybuchach od początków Wszechświata. Z wybuchami masywnych gwiazd naukowcy mają jednak problem. Trudno jest bowiem wytłumaczyć produkcję, czyli tzw. nukleosyntezę ciężkich pierwiastków w supernowych typu grawitacyjnego.

Innym źródłem nukleosyntezy ciężkich pierwiastków są układy podwójne gwiazd neutronowych. Dzięki obserwacji pulsarów, czyli szybko obracających się gwiazd neutronowymi, wysyłających impulsy świetlne w odstępach czasu wiadomo, że takie systemy istnieją. Wiadomo też, że takie układy podwójnych gwiazd neutronowych są niestabilne przez emisję fal grawitacyjnych, co oznacza, że takie gwiazdy muszą się połączyć i scalić.

Tym samym tylko mały ułamek materiału jest wyrzucany poprzez wybuch w przestrzeń kosmiczną, podczas którego dochodzi do nukleosyntezy ciężkich pierwiastków, nawet najcięższych tj. uran czy pluton. Układy podwójne gwiazd neutronowych nie są jednak w stanie wyjaśnić obserwowanego wzbogacenia w ciężkie metale podczas wczesnej ewolucji galaktyki – zaznaczył fizyk.

Powodów tego jest kilka – takie układy podwójne muszą się utworzyć i musi dojść do wybuchu supernowej. Układ musi też przetrwać oba wybuchy supernowych, a samo ich połączenie przez emisję fal grawitacyjnych trwa bardzo długo.

To wszystko prowadzi do wniosku, że musi minąć zbyt dużo czasu, aby układy podwójne dały faktyczny wkład do wzbogacenia w ciężkie metale, obserwowane podczas wczesnej ewolucji galaktyki – dodał naukowiec.

Aktualne pozostaje więc pytanie o pochodzenie ciężkich pierwiastków we wczesnej fazie ewolucji Wszechświata, na krótko po Wielkim Wybuchu. Skoro układy podwójne są „wykluczone”, jedyną możliwością są supernowe typu grawitacyjnego. A skoro aktualna wiedza na temat supernowych nie wyjaśnia produkcji ciężkich pierwiastków, astrofizyczna zagadka dot. kolebki ciężkich pierwiastków we Wszechświecie pozostaje nierozwiązana.

Właśnie to badamy. Jesteśmy nastawieni optymistycznie, że proponowany przez nas scenariusz może się przyczynić do wzbogacenia wiedzy na temat powstawania ciężkich pierwiastków w początkowej fazie ewolucji Wszechświata. To może dać odpowiedź na pytanie, skąd wzięły się ciężkie pierwiastki, dzięki którym powstało życie we Wszechświecie – podsumował dr hab. Tobias Fischer z UWr.

supernowa wybuch plazma kwarkowo-gluonowa