უცნაური ვარსკვლავები

ცნობილია, რომ ატომების ბირთვები პროტონებისა და ნეიტრონებისგან შედგება, რომლებიც თავის მხრივ, კვარკებისგან არის აწყობილი – u-კვარკები და d-კვარკები. თვითონ კვარკები ”დაცემენტებული” არიან გლიუონებით (ძლიერი ურთიერთქმედების გადამტანი ნაწილაკი) და არიან ”ტყვედ” ნეიტრონებსა და პროტონებში (კონფაინმენტის ეფექტი – ”დატყვევება”). არსებული კოსმოლოგიური თეორიის მიხედვით, კვარკ-გლიუონური მასით სამყარო დიდი აფეთქებიდან 20 მიკროწამის მერე შეივსო, კვარკები თავისუფალ მდგომარეობაში არსებობდა, დროის მცირე მონაკვეთში, როცა ახლადდაბადებული სამყაროს ტემპერატურა 5 ტრილიონ გრადუსს აჭარბებდა.

 თეორეტიკოსთა აზრით, კოსმოსში ახლაც არსებობს ეგზოტიკური ობიექტები, შემდგარი მთლიანად ან ნაწილობრივ კვაზითავისუფალი კვარკებისგან, არა ტრიპლეტებად (სამეული) შეკრულის სახით პროტონებსა და ნეიტრონებში, თუმცა მაინც ერთმანეთთან დაკავშირებული. ამისათვის ზემაღალი ტემპერატურა და წნევაა საჭირო, ასეთი პირობები კი შეიძლება ნივთიერების ძალიან მაღალი სიმკვრის მქონე ობიექტებში შეიქმნას. ასეთებად, რა თქმა უნდა, ნეიტრონული ვარსკვლავები განიხილება.  ნეიტრონული ვარსკვლავის წარმოქმნის პროცესი ასეთუისე კარგად არის ცნობილი. მათ წინამორბედ ვარსკვლავებს 9-10 მზის მასა აქვს. ხანმოკლე სიცოცხლის მანძილზე (რამოდენიმე ასეული მილიონი წელი) ასეთი ვარსკვლავების ცენტრში წარმოიქმნება რკინის ბირთვი, დაფარული სილიციუმისა და სხვა ნივთიერებათა ფენებით, შემოფარგლული წყალბადის გარსით.

 თუ ბირთვის მიდამოებში თერმობირთვული რეაქცია გრძელდება, მისი მასა იზრდება და ჩანდრასეკარის ზღვრის ტოლი ხდება. რადგან რკინის ფორმირების მერე თერმობირთვული რეაქცია ჩერდება, ვარსკვლავის ბირთვი იკუმშება გარე ფენების დაწოლის გამო, სიჩქარით, რომელიც სინათლის სიჩქარის 20%-ის ტოლია. ელექტრონები წნევის მოქმედებით პროტონებში იპრესება, ნეიტრონებად და ნეიტრინოებად გარდაქმნით (უფრო მძიმე ვარსკვლავებში რკინის ბირთვი ჯერ გამა გამოსხივებით იშლება). ნეიტრონები ადგილზე რჩება, ნეიტრინოები კი ტოვებენ ვარსკვლავს (თან მიაქვთ ენერგიის ნაწილი). შედეგად, ცენტრი “ცივდება”, ნივთიერების წნევა ეცემა, რის გამოც შეკუმშვა კიდევ უფრო იზრდება. ამ სტადიაზე შესაძლებელია მოვლენების ორი სცენარით განვითარება. ვარსკვლავები 20-100 მზის საწყისი მასით, ბოლომდე კოლაფსირებს და შავ ხვრელებს წარმოქმნის. უფრო მსუბუქ ვარსკვლავებს კი შეუკუმშველი ბირთვი უჩნდება, შემდგარი ნეიტრონული ნივთიერებისგან. ასეთი ვარსკვლავების გარე ფენები, ორივე შემთხვევაში, გარემო სივრცეში გაიტრყორცნება შიგნიდან მოქმედი დარტყმითი ტალღების ზემოქმედებით, ამ დროს ხდება  II-ტიპის ზეახალი ვარსკვლავის ანთება. საბოლოოდ, ვარსკვლავისგან შავი ხვრელი რჩება, ან ნეიტრონული ვარსკვლავი – ნეიტრონული მატერიის დეფორმირებული სფერო.  ტიპიური ნეიტრონული ვარსკვლავი ნახევარი მზის მასას იწონის, რადიუსით 10 კილომეტრი. ნეიტრონული ვარსკვლავების ზედა ზღვრად კი 2,5-3 მზის მასა ითველბა. მათი შემადგენელი ნივთიერების შესახებაც ზუსტად არაფერია ცნობილი, ყოველ შემთხვევაში, სტრუქტურა ძალიან რთულია. სიმკვრივე კი ნახევარი კვადრილიონი გ/კუბურ სანტიმეტრზე (1,5 × 10¹⁵ გ/სმ³). თეორეტიკოსები არ გამორიცხავენ ამ მატერიაში კვაზითავისუფალი კვარკების არსებობას. ამასთან ერთად ეს კვარკული ნაზავი შესაძლებელია შეიცავდეს არა მარტო პირველი თაობის კვარკებს. ხსენებული შესაძლებლობა გამომდინარეობს თეორიიდან, რომელიც 80-იან წლებში განიხილა ცნობილმა ფიზიკოს-თეორეტიკოსმა ედვარდ ვითენმა. მან აღწერა ჰიპოთეტური კვარკული ნაზავის გაჩენის მექანიზმი, შემდგარი u-კვარკების, d-კვარკებისა და უცნაური – s-კვარკებისაგან. ასეთ ნივთიერებას უცნაური ნივთიერება შეარქვეს (strange quark matter, SQM).  ვითენმა, ძირითადად, განიხილა SQM-ის გაჩენა დიდი აფეთქების პირველ მომენტებში, თუმცა აღნიშნა, რომ უცნაური მატერია შეიძლება არსებობდეს ნეიტრონული ვარსკვლავების ბირთვებშიც. თუ ეს ასეა, ნეიტრონული ნივთიერება ჯერ გადადის ”არადატყვევებულ” u-კვარკებში და d-კვარკებში, ხოლო შემდეგ ხდება გამდიდრება უცნაური კვარკებით. ასეთი ტრანფორმაციის მექანიზმი ბოლომდე არაა გარკვეული. ახალი კვლევის ავტორები თვლიან, რომ აქ მთავარ როლს ბნელი მატერია თამაშობს, უფრო ზუსტად ასეთი მატერიის შემადგენელი ნაწილაკები. ამ ნაწილაკების ურთიერთ ანიჰილაცია არის იმ ენერგიის წყარო, რომელიც ნეიტრონულ ნივთიერებას უცნაურ ნივთიერებად აქცევს. ნეიტრონული მატერია მეტასტაბილურია და თუ მასზე გარე ფაქტორები იმოქმედებს შეუძლია SQM-ად გადაიქცეს. ტრანსფორმაცია მომენტალურად არ ხდება. ჯერ ჩნდებიან უცნაური ნივთიერების უმცირესი ჩანასახები (strangletes), რომელთა რაოდენობა სწრაფად იზრდება და ნეიტრონული ვარსკვლავის შიგნეულობას იკავებს (ეს ფაზური გადასვლა გადაცივებული სითხის ფაზურ გადასვლას ჰგავს). კონვერსიის მთელი პროცესი წამზე მცირე დროში ხდება.  ბუნებრივია, რომ ეს მოდელი ეფუძნება იმ დაშვებებს, რომლებიც დამახასიათებელია სუსტად ურთიერთქმედი მასიური ნაწილაკების ბუნებისათვის (weak ineraqting particles, WIMP-s.  ბნელი მატერია). ამ ნაწილაკებს გააჩნია ანტინაწილაკები (მაიორანის ფერმიონები, თავისი თავის ანტინაწილაკი), ამიტომ მათი შეჯახებების დროს ხდება ანიჰილაცია. სწორედ ეს თვითანიჰილაცია აწვდის ენერგიას SQM-ის წარმოქმნის პროცესს. ნეიტრონული ვარსკვლავის გრავიტაციული ზემოქმედებით გარემო სივრციდან ბნელი მატერიის ნაწილაკები ვარსკვლავის ზედაპირზე ხვდებიან (აკრეცია), განიცდიან მრავლობით გაბნევას ვარსკვლავის ნივთიერებაზე, აღწევენ ცენტრალურ ზონაში და საფუძველს უდებენ უცნაური, კვარკული მატერიის ჩანასახებს. ბნელი მატერიის ანიჰილაციის დროს გამოიყოფა ენერგია: 10²⁵–10²⁹ გევ/წმ. ეს ენერგია საკმარისია ცენტრში ისეთი ტემპერატურის მისაღწევად, რომელიც დაძლევს კონფაინმენტის ძალებს. შედეგად, ნეიტრონში დატყვევებული კვარკები კვაზითავისუფალ მდგომარეობაში გადადიან და წარმოქმნიან ud-მატერიას. ამასთან ერთად, ისინი მაინც ერთმანეთზე ზემოქმედებენ და s-კვარკების წარმოქმნით. ამ პროცესს კი უცნაური მატერიის გაჩენამდე მივყავართ (usd-მატერია). უცნაური მატერია, თავის მხრივ, ვარსკვლავის უცნაურ ვარსკვლავად გადაქცევის ინიცირებას ახდენს.  ახალი ნაშრომი თეორიული მოდელების რაოდენობას ზრდის, რომლებიც კვარკულ ვარსკვლავებს აღწერს. მაგალითად, არსებობს ჰიპოთეზა, რომ უკანასკნელ წლებში დაფიქსირებული ანომალურად ძლიერი ზეახლების აფეთქებები – SN 2005ap da SN 2006gy, კვარკული ვარსკვლავების გაჩენის წინაპირობას წარმოადგენდა (ასეთი ობიექტები ჯერ-ჯერობით მხოლოდ ჰიპოთეზების სახით არსებობენ).  ნაშრომის ავტორები აღნიშნავენ, რომ უცნაური ვარსკვლავების გაჩენაზე სიგნალს წამის ხანგრძლივობის, ზემძლავრი გამა ანთებები შეიძლება გვაძლევდეს (gamma-ray burs, GRB). ასეთი ანთებები დიდი ხანია კვლევის საგანია, თუმცა მათი წარმომავლობა ახლაც დისკუსიის საგნად რჩება. სპეციალისტთა უმრავლესობა თვლის, რომ ასეთი ანთებები ნეიტრონული ვარსკვლავების შერწყმის დროს ხდება, თუმცა არ არის გამორიცხული სხვა მექანიზმიც. იმედია, რომ თანამედროვე ასტროფიზიკოსები ამ პრობლემის გადაწყვეტას შეძლებენ.