Հայ գիտնականները բացահայտում են նեյտրոնային աստղերի «գաղտնիքները»

Նեյտրոնային աստղերը գերխիտ լուսատուներ են, որոնք առաջանում են գերնոր աստղերի պայթյունից։ Որպես կանոն դրանց տրամագիծը համեմատելի է մեծ քաղաքների մակերեսների չափերի հետ (20-30 կմ)։ Չնայած աստղի համար այդքան փոքր չափերին նեյտրոնային աստղերն ահռելի զանգվածներ ունեն, ինչը բացատրվում է նյութի ուժգին սեղմումով։ Գրավիտացիոն կոլապսի ընթացքում աստղային նյութի պրոտոններն ու էլեկտրոնները միանում, դառնում են նեյտրոններ, որոնք չունեն էլեկտրական լիցք։ Նեյտրոնների, պրոտոնների և էլեկտրոնների միջև բետա-տրոհման հանդեպ հավասարակշռությունը հանգեցնում է գերխիտ նյութում նեյտրոնների գերակայությանը։

Մեր հայրենակից, ՀՀ Գիտությունների ազգային ակադեմիայի արտասահմանյան անդամ, տեսաբան ֆիզիկոս Արմեն Սեդրակյանը Ֆրանկֆուրտի հեռանկարային հետազոտությունների ինստիտուտից (Frankfurt Institute for Advanced Studies, FIAS) ուսումնասիրում է նեյտրոնային աստղերը դեռ 1990-ականներից։ Սկզբում նա ոչ ստացիոնար դինամիկայի հարցերն էր դիտարկում, օրինակ, նեյտրոնային աստղերի պտույտի շեղումների պատճառները։ Բայց 2010 թվականին և ավելի ուշ «անհնարին» մեծ զանգվածով նեյտրոնային աստղերի հայտնաբերումն ու 2015 թվականին գրավիտացիոն ալիքների բացահայտումը նրա ուշադրությունը սևեռեցին նոր հարցերի պատասխանների որոնումների վրա․ ինչի՞ց և ինչպե՞ս է կառուցված այդքան փոքր ծավալով ու մեծ զանգվածով այս զարմանալի օբյեկտների ընդերքը։

Այսօր Արմեն Սեդրակայանը Գերմանիայում իր աշխատանքից բացի ղեկավարում է գիտական խումբ Բյուրականի աստղադիտարանում։ Խմբի կազմում են Մեխակ Հայրապետյանը (Երևանի պետկան համալսարան, ֆիզիկայի ֆակուլտետ), երիտասարդ գիտնականներ Արուս Հարությունյանն ու Դանիել Բաղդասարյանը, պրոֆեսոր Լևոն Պողոսյանը Կանադայից և Հենրիկ Ներսիսյանը Գերմանիայից։

Խմբի ուսումնասիրությունների շրջանակը բավականին լայն է․ կոմպակտ աստղեր ու խիտ նյութի ֆիզիկա, գրավիտացիոն ֆիզիկա, աստղային մասնիկների ֆիզիկա և ռելյատիվիստական հիդրոդինամիկա։ Լևոն Պողոսյանն ու Հենրիկ Ներսիսյանը, որոնք վերջերս են միացել խմբին, զբաղվում են կոսմոլոգիայի խնդիրներով։

Ինչպես պատմեց Արմեն Սեդրակյանը, մինչ 2010 թվականը բացահայտված նեյտրոնային աստղերի զանգվածը գնահատվում էր մոտավորապես 1․4 արեգակնային զանգված։ Այդ աստղերը նկարագրող տեսությունները առավելագույն զանգվածի հասկացություն էին սահմանում, որը տատանվում էր 1․6-1․8 արեգակնային զանգվածի տիրությում։ 2010 թվականին աստղագետները հայտնաբերեցին մոտ 2 արեգակնային զանգված ունեցող նեյտրոնային աստղ, որը չէր նկարագրվում եղած տեսություններով։ Արդյունքում` տեսական մոդելների 80 տոկոսը հայտնվեցին աղբարկղում։

Հետագայում սև խոռոչների և նեյտրոնային աստղերի կրկնակի համակարգերից արձակվող գրավիտացիոն ալիքների փորձառական հայտնաբերումը նոր հնարավորություններ ընձեռեց նեյտրոնային աստղերի կառուցվածքը հասկանալու համար։

Ինչպես պատմեց գիտնականը, մեծ զանգվածով օբյեկտների՝ օրինակ, նեյտրոնային աստղերի կամ սև խոռոչների կրկնակի համակարգերը անընդհատ ճառագայթում են գրավիտացիոն ալիքներ։ Այդ ճառագայթումը հետզհետե փոքրացնում է նրանց ուղեծրերը և, ի վերջո, բերում նրանց միաձուլմանը, որը այդ պահին առանձնապես ուժգին գրավիտացիոն ալիք է առաջացնում։

Առաջին անգամ այդպիսի ալիք, որն առաջացել է երկու սև խոռոչների միաձուլման հետևանքով, դիտվել է LIGO և VIRGO կոլաբորացիայից 2015 թվականին, և այդ հայտնագործության համար այդ կոլաբորացիայի առաջատար երեք գիտնականներին շնորհվել է Նոբելյան մրցանակ։ Նոր հիմնարար հայտնագործություն արվեց 2017 թվականին, երբ դիտվեցին երկու նեյտրոնային աստղերի միաձուլումից առաջած գրավիտացիոն ալիքներ։ Ընդ որում, գրավիտացիոն դետեկտորից բացի այդ երևույթը միաժամանակ ֆիքսել են և օպտիկական, և ռենտգենյան և ռադիոդիտակները։

«Գրավիտացիոն ալիքները մեզ հնարավորություն են տալիս որոշել նեյտրոնային աստղի զանգվածի և շառավիղի տիրույթը, իսկ դա մեզ տեղեկություն է տալիս, թե այդ աստղերում ինչ տիպի (ավելի ճիշտ որ փուլում գտնվող) նյութ է, ինչ խտության, ինչ ճնշման տակ և այլն», - ասաց Արմեն Սեդրակյանը։

Նրա խոսքով, մինչ 2010 թվականը լայն տարածում գտած միջուկային ֆիզիկայի շատ մոդելներ չէին նկարագրում մոտ երկու կամ երկուսից ավելի արեգակնային զանգված ունեցող նեյտրոնային աստղեր։ «Սովորաբար դիտարկվում է նուկլոնից բաղկացած աստղի կորիզ, բայց այն կարող է բաղկացած լինել և ավելի ծանր մասնիկներից՝ հիպերոններից։ Այդ մասին ժամանակին գրել են Վիկտոր Համբարձումյանն ու Գուրգեն Սահակյանը։ Մենք մշակեցինք միջուկային նյութի մոդելներ, որոնցում կարող են գոյություն ունենալ հիպերոնային աստղեր, և դրանք բավականաչափ ծանր են, այսինքն համապատասխանում են դիտումներին», - պատմեց գիտնականը։

2019 թվականին ամերիկացիները մեկնարկեցին NICER (The Neutron Star Interior Composition Explorer Mission) կոչվող ծրագիրը: Միջազգային տիեզերական կայան ուղարկվեց դիտակ, որը գրանցում է մոտ գտնվող նեյտրոնային աստղերի ռենտգենյան ճառագայթումը։ Այդ դիտակի տվյալները հետազոտում են աստղագետների երկու խմբեր Մերիլենդում և Ամստերդամում։ «Շատ բարդ հաշվարկ է կատարվում, պետք է դիտարկել ռելյատիվիստական երևույթները, այն, որ ֆոտոնները ուժեղ գրավիտացիոն դաշտերում շեղվում են, նաև այն որ ռետնգենյան տիրույթում ճառագայթող աստղի տաք տիրույթները կարող են տարբեր կոնֆիգուրացիաներ ունենալ։ Այնպես որ խնդիրը պարզունակ չէ, և հաշվարկները կատարվում են սուպերհամակարգիչներով։ Վերջնարդյունքում մենք առաջին անգամ ունեցանք տվյալներ նույն օբյեկտի և զանգվածի, և շառավղի վերաբերյալ։ Այդպես ուսումնասիրված օբյեկտներից է J0740 բաբախիչը (պուլսարը)՝ 2.1 արեգակնային զանգվածով այս պահին հայտնի ամենածանր օբյեկտը», - ասաց նա, հավելելով, որ NICER ծրագրի տվյալները տալիս են նեյտրոնային աստղերի շառավիղների մեծությունը 13,5км +/-1 կմ, 10 տոկոս ճշտությամբ, և դրանք թույլ են կախված զանգվածից։

«Փոքր շառավիղը և մեկից մինչև երկու և ավելի արեգակնային զանգվածը վկայում են այն մասին, որ նեյտրոնային աստղերը, մասնավորապես, բաբախիչները, Տիեզերքի ամենախիտ օբյեկտներն են։ Պատկերավոր կարելի է ասել, որ այս խտությունները կստացվեն, եթե Արեգակը սեղմենք հասցնենք Երևան քաղաքի չափերին։ Այդ պարագայում խտությունը մոտ 10 անգամ գերազանցում է ատոմի միջուկի խտությունը։ Բնության մեջ այս տիպի նյութ ուրիշ այլ պայմաններում կամ օբյեկտներում չի հանդիպում:

Երբ Միջուկային հետազոտությունների Եվրոպական կենտրոնում (CERN) միջուկները իրար են բախում, ապա շատ կարճ ժամանակով, մոտավորապես 10-23 վայրկյան, առաջանում է նման խտությամբ շատ տաք նյութ։ Այսինքն, նեյտրոնային աստղերի օգնությամբ մենք կարող ենք ուսումնասիրել այդ գերխիտ նյութի ֆիզիկան», - պարզաբանեց նա։

Գիտնականը նշեց, որ նեյտրոնային աստղերը, ի տարբերություն արագացուցիչում ստացվող նյութի, շատ կայուն են, և ապրում են միլիոնավոր տարիներ։ «Միայն մեր գալակտիկայում կա մոտ 2000 այդպիսի օբյեկտ, որոնք հայտնաբերվել են իրենց ռադիոճառագայթման, որոշ դեպքերում ռետնգենյան և օպտիկական ճառագայթման շնորհիվ։ Հարավային Աֆրիկայում այսօր կառուցվում է Square Kilometre Array ամենախոշոր ռադիոդիտակը, այն բաղկացած է փոքր դիտակների ցանցից, որոնք աշխատելու են զուգահեռ երկնքի նույն տիրույթում, այսինքն «նայելու» են մի ուղղությամբ։ Ենթադրվում է, որ այդ դիտակի շնորհիվ կհայտնաբերվեն ևս մի քանի հազար նեյտրոնային աստղեր», - պատմեց գիտնականը։

Իսկ ունե՞ն արդյոք այս հետազոտությունները կիրառական օգտագործման հեռանկարներ մոտ ապագայում։ Այս հարցի պատասխանը, ըստ գիտնականի ստանդարտ է․ «Երբ Ռեզերֆորդը 1909-1911թթ․ հայտնաբերեց միջուկի գոյությունը ատոմում, ոչ ոք անգամ ենթադրել չէր կարող, որ 30 տարի անց կստեղծվի ատոմային ռումբ, որը կկործանի մի ողջ քաղաք, կկանգնեցնի համաշխարհային պատերազմը և կփոխի հետպատերազմյա համաշխարհային քաղաքականությունը։ Դա ֆունդամենտալ գիտության առանձնահատկությունն է։ Դրանով պետք է զբաղվել, չմտածելով մոտալուտ արդյունքի մասին, բայց հենց հիմնարար գիտությունն է որոշակի պահերի բեկում մտցնում»։

Գիտնականի կարծիքով, գիտության դերը շատ ավելի լայն է, քան տեխնոլոգիաների զարգացումը։ Առաջին հերթին, այն ունի մեծ կրթական և լուսավորչական դեր։ Երկրորդ հերթին, միջազգային ճանաչում ունեցող գիտնականները բարձրացնում են իրենց երկրի ճանաչելիությունը, վարկը միջազգային ասպարեզում։ «Իմ ոլորտում հայ գիտնականներն աշխատում են առաջնագծում։ Ես հպարտ եմ, որ, օրինակ, Արուս Հարությունյանին, որը ինձ մոտ Ֆրանկֆուրոտւմ ասպիրանտուրա է ավարտել և հիմա աշխատում է Բյուրականի աստղադիտարանում, արդեն լավ գիտեն և ընդունում են Եվրոպական գիտական շրջանակներում», - ասաց նա։

Անահիտ Սարգսյան