Προσομοιώσεις υπολογιστή δείχνουν ότι τα πυρηνικά "ζυμαρικά" μπορεί να είναι 10 δισεκατομμύρια φορές πιο σκληρά από τον χάλυβα
Ποιο είναι το πιο σκληρό υλικό στο σύμπαν; Οι περισσότεροι άνθρωποι πιθανότατα θα μάντευαν κάτι σαν διαμάντια, κράματα τιτανίου ή χάλυβα επεξεργασμένο με άνθρακα. Ένας αναγνώστης ενημερωμένος για τις σύγχρονες επιστημονικές του γνώσεις θα μπορούσε να πει ότι το γραφένιο μια ουσία τόσο σκληρή που θα χρειαζόταν το βάρος ενός ελέφαντα για να σπάσει ένα φύλλο με το πάχος του περιτυλίγματος saran. Λοιπόν, μπορεί να είναι λανθασμένες όλες αυτές οι απαντήσεις, καθώς μια νέα μελέτη που διεξήχθη από μια τριάδα ερευνητών από ινστιτούτα στις ΗΠΑ και τον Καναδά έχει δυνητικά εντοπίσει την ισχυρότερη ουσία που γνωρίζει ο άνθρωπος.
Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή που πραγματοποιούνται από τους ερευνητές υποδεικνύουν ότι ελαστικές δομές που αποτελούνται από πυρηνικό υλικό κάτω από τον φλοιό των άστρων νετρονίων μπορεί να χαρακτηριστούν ως το πιο σκληρό υλικό στο σύμπαν, πολύ ισχυρότερο από τον χάλυβα, το τιτάνιο ή ακόμα και το γραφένιο.
Το υλικό, που ονομάστηκε «πυρηνικά ζυμαρικά» λόγω των σχημάτων που μοιάζουν με ζυμαρικά, υπάρχει δυνητικά περίπου 1 χιλιόμετρο κάτω από τον φλοιό ενός αστέρα νετρονίων, των πιο πυκνών αντικειμένων που είναι γνωστά στον άνθρωπο. Οι ερευνητές αναφέρονται σε αυτό το πυρηνικό ζυμαρικό ως «υγρό κρύσταλλο» και έχει δυναμικό μέτρο διάτμησης έως και 10 J/cm. Αυτός ο υψηλός συντελεστής διάτμησης σημαίνει ότι για να λυγίσουμε αυτά τα πυρηνικά ζυμαρικά, κάποτε θα πρέπει να ασκήσουμε μια μηχανική δύναμη ισοδύναμη με αυτή που εκλύεται από ένα τετραλιόν τόνοι TNT (1.000.000.000.000.000 τόνοι) ανά κυβικό εκατοστό του υλικού. Αυτές οι δομές μπορούν να υπάρχουν μόνο στα πιο ακραία περιβάλλοντα, κάτω από την έντονη πίεση και βαρύτητα ενός αστέρα νετρονίων. Η μελέτη είναι επίσης αξιοσημείωτη επειδή είναι η μεγαλύτερη προσομοίωση πυρηνικών ζυμαρικών σε υπολογιστή μέχρι σήμερα.
Αστέρια νετρονίων και πυρηνικά ζυμαρικά
Όταν τα αστέρια γερνούν, εκρήγνυνται σε σουπερνόβα και μετά καταρρέουν ξανά μέσα τους. Μερικά αστέρια είναι αρκετά μεγάλα ώστε να καταρρέουν σε όλη τη διαδρομή σε μια μαύρη τρύπα, ενώ μερικά αστέρια είναι πολύ μικρά και αντ' αυτού καταρρέουν σε αμυδρά λευκούς νάνους. Άλλα έχουν ακριβώς το σωστό μέγεθος, επομένως αντί να μετατραπούν σε μαύρη τρύπα ή λευκό νάνο, θα αποβάλουν τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια τους και θα καταρρεύσουν σε ένα εξαιρετικά πυκνό που αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από νετρόνια. Τα αστέρια νετρονίων είναι εξαιρετικά πυκνά, τόσο πολύ που ένα κομμάτι μεγέθους κουταλιού του γλυκού θα ζύγιζε 900 φορές περισσότερο από τη Μεγάλη Πυραμίδα της Γκίζας. Η μέση πυκνότητα ενός αστέρα νετρονίων είναι περίπου 3,7–5,9×10 kg/m. Τα αστέρια νετρονίων είναι το πιο πυκνό γνωστό είδος αστεριών, εκτός από τα υποθετικά αστέρια που κατασκευάζονται από πλάσμα κουάρκ-γλουονίων.
Τα νετρόνια στα αστέρια νετρονίων είναι τόσο κοντά το ένα στο άλλο όσο τα σωματίδια σε έναν ατομικό πυρήνα συνηθισμένης ύλης. Στην επιφάνεια, τα νετρόνια τείνουν να διατάσσονται σε μια σχετικά τακτική και περιοδική δομή πλέγματος. Ωστόσο, βαθιά μέσα στο αστέρι, η πίεση και η βαρύτητα πιέζουν τα νετρόνια ακόμη πιο κοντά μεταξύ τους, προκαλώντας τις αλυσίδες νετρονίων να διατάσσονται σε πολύπλοκα σχήματα που ονομάζονται πυρηνικά ζυμαρικά. Προηγούμενες προσομοιώσεις υπολογιστή έχουν μοντελοποιήσει τον φλοιό του αστέρα νετρονίων ως ένα περισσότερο ή λιγότερο ισοτροπικό πλέγμα σωματιδίων. Η τρέχουσα μελέτη είναι μια προσπάθεια κατανόησης της δυναμικής αυτών των πυρηνικών ζυμαρικών, συγκεκριμένα πώς μετατοπίζονται κάτω από την επιφάνεια και παράγουν τεκτονική συμπεριφορά υψηλής ενέργειας σε αστέρια νετρονίων.
Οι ερευνητές μοντελοποίησαν τα πυρηνικά ζυμαρικά χρησιμοποιώντας ισχυρό λογισμικό που προορίζεται για τη μοντελοποίηση της μοριακής δυναμικής. Ορίζοντας απλούς κανόνες που διέπουν τη συμπεριφορά μεταξύ δύο προσομοιωμένων νουκλεονίων, το λογισμικό είναι σε θέση να προεκβάλλει και να προσομοιώσει τη συμπεριφορά χιλιάδων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν ταυτόχρονα. Η ομάδα έτρεξε μια σειρά από καταστάσεις με τα σχήματα των ζυμαρικών προσανατολισμένα σε διαφορετικές κατευθύνσεις για να καταγράψει τη δυναμική του τρόπου με τον οποίο τα πυρηνικά ζυμαρικά αντιδρούν στη δύναμη και την κίνηση. Για παράδειγμα, στην πρώτη τους σειρά προσομοιώσεων, οι ερευνητές μοντελοποίησαν τα πυρηνικά ζυμαρικά στο σχήμα «λαζάνια», επίπεδες πλάκες του υλικού που εκτείνονται κάτω από την κρούστα και στρώμα το ένα πάνω στο άλλο. Αυτή η συγκεκριμένη διαδρομή προσομοιώνει τις επιπτώσεις της εγκάρσιας, διαμήκους και θλιπτικής τάσης σε φύλλα πυρηνικών «λαζάνια» για να δούμε πώς το υλικό αναδιατάσσεται. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές έψαχναν το σημείο όπου τα φύλλα λαζάνια θα σπάσουν και θα άλλαζαν την τάση στο εσωτερικό του αστέρα νετρονίων.
Στη δεύτερη σειρά προσομοιώσεων, μοντελοποίησαν τη δυναμική του σχηματισμού «βάφλας», ενός πλέγματος από παράλληλες πλάκες με εξαγωνικές οπές. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, αυτή η προσομοίωση ήταν η μεγαλύτερη σε πυρηνικά ζυμαρικά μέχρι τώρα. Το σχήμα της βάφλας παρουσίασε σχετικά μικρό σπάσιμο σε σύγκριση με το σχήμα λαζάνια, καθώς οι εξαγωνικές τρύπες στο υλικό έδιναν κατάλληλο χώρο για να παραμορφωθεί το υλικό αντί να σπάσει.
Τι να κάνουμε λοιπόν από τα πυρηνικά ζυμαρικά; Λοιπόν, για ένα, οι προσομοιώσεις εξιδανικεύτηκαν, επομένως είναι πιθανό τα πραγματικά πυρηνικά ζυμαρικά να μην συμπεριφέρονται ακριβώς όπως προβλέπουν οι προσομοιώσεις. Σημειωτέον, οι προσομοιώσεις τους απέκλεισαν οποιαδήποτε πιθανή επίδραση από την υπερρευστότητα των νετρονίων ή οποιαδήποτε υπεραγώγιμη συμπεριφορά που μπορεί να έχει επίδραση στο μαγνητικό πεδίο του άστρου. Επίσης, οι ελαστικές σταθερές που προορίζονται να αντιπροσωπεύουν την ελαστικότητα των πυρηνικών ζυμαρικών θεωρήθηκαν αντί να επιτευχθούν μέσω υπολογισμού.
Ωστόσο, η μελέτη παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για τις γεωλογικές ιδιότητες των πυρηνικών ζυμαρικών. Συγκεκριμένα, τα πυρηνικά ζυμαρικά είναι εξαιρετικά δυνατά. Ακόμη και όταν η εκτίμηση του συντελεστή διάτμησης των 10 J/cm μειώνεται λόγω ανεπάρκειας στην προσομοίωση, ο αριθμός που προκύπτει εξακολουθεί να είναι ισχυρότερος από οποιοδήποτε γνωστό υλικό και απίστευτα ισχυρότερος από οποιοδήποτε υλικό μπόρεσε να κατασκευάσει ο άνθρωπος. Εκτός από τα σχήματα ζυμαρικών κάτω από τον φλοιό, το μοντέλο των ερευνητών προβλέπει επίσης ότι τα αστέρια νετρονίων περιέχουν θαμμένα «βουνά» στον φλοιό. Τα βουνά των νετρονίων θα μπορούσαν να είναι μια σημαντική πηγή βαρυτικών κυμάτων.
Παρεμπιπτόντως, αυτή η πρόβλεψη δείχνει μια σχετικά νέα στροφή στην επιστήμη. την εξάρτηση από προσομοιώσεις υπολογιστή για τον έλεγχο υποθέσεων και την πραγματοποίηση προβλέψεων. Η άνοδος των υπολογιστών το καθιστά έτσι ώστε οι επιστήμονες να μπορούν να εκτελούν ακριβείς προσομοιώσεις εξαιρετικά πολύπλοκων φαινομένων, μερικές φορές με αποτέλεσμα να ανακαλύπτουν κάτι νέο για αυτά τα φαινόμενα. Αυτό το μάθημα έχει εφαρμοστεί σε μελέτες για τις μαύρες τρύπες, των οποίων τα ισχυρά βαρυτικά πεδία καθιστούν αδύνατες τις παραδοσιακές μεθόδους παρατήρησης.
