Annons

Stor som en kula men tyngre än jorden

Svenska forskare kan ha upptäckt de första kompakta objekten i universum på sjuttio år.

De kompakta objekt i rymden som traditionellt erkänns inom astrofysiken är vita dvärgar, neutronstjärnor och svarta hål. Att de är kompakta betyder att de har mycket stor massa i förhållande till sin storlek.

Kompakta himlakroppar bildas när energiproduktionen i en stjärna har avslutats och den kollapsar av sin egen tyngd. Vita dvärgar kallas de minst kompakta av dessa utbrända stjärnrester. Där balanseras gravitationskraften av trycket från elektroner, vilket motverkar ytterligare kollaps. Vita dvärgar är ungefär av jordens storlek och väger inte mer än 1,4 solmassor.

Är stjärnan tyngre än så, kan elektrongasens tryck inte längre stå emot gravitationen. Enkelt uttryckt pressas då elektronerna in i atomkärnornas protoner och bildar neutroner. Så föds en neutronstjärna som är några tiotal kilometer i diameter och kan väga ett par solmassor. Om stjärnresten är ännu massivare, räcker inte heller neutronernas tryck, utan stjärnan kollapsar till ett svart hål.

Det finns även mer exotiska förslag på kompakta objekt, som kvarkstjärnor och hybridstjärnor. Dessa är ungefär lika stora och tunga som neutronstjärnor och har ungefär samma egenskaper som de. Alla dessa objekt bygger på partikelfysikens så kallade standardmodell, där kvarkar och leptoner utgör materiens minsta beståndsdelar.

Men om det skulle finnas mer elementära partiklar - preoner - ändras förutsättningarna. En helt ny typ av kompakta objekt, preonstjärnor, kan då existera.

Elementära eller inte?

I partikelfysikens standardmodell ingår sex olika kvarkar och sex olika leptoner. En underlig sak är att endast de två lättaste av kvarkarna är stabila, medan de övriga mycket snabbt sönderfaller till dessa två. Detsamma gäller för leptonerna, bara de lättaste är stabila.

Redan här kan man alltså börja misstänka att kvarkar och leptoner inte är så fundamentala som man har trott. En verkligt fundamental partikel bör ju inte kunna sönderfalla, eller hur? Historiskt har det dessutom alltid varit så att instabila "elementarpartiklar" så småningom har visat sig bestå av mer fundamentala byggstenar.

Preoner är just en sådan mer elementär klass av partiklar. Redan på 1970-talet lades de första preonmodellerna fram. År 2002 var en oss (Johan Hansson) med om att konstruera en ny och förbättrad modell, som kan förklara alla kvarkar och leptoner i standardmodellen i termer av enbart tre fundamentala och helt stabila preoner. I stället för tolv elementära partiklar har vi alltså endast tre. Dessutom får vi fram en del samband mellan storheter som inte alls hänger samman i standardmodellen.

Vår preonmodell ger en rad förutsägelser som går att testa i experiment. Förhoppningsvis blir detta möjligt med partikelacceleratorn LHC, som tas i drift år 2007 vid det europeiska fysiklaboratoriet Cern i Genève. Vid de mycket höga energier som acceleratorn kan producera hoppas världens partikelfysiker att något nytt ska dyka upp. Kanske blir det hittills osedda supersymmetriska partiklar, extra dimensioner - eller preoner.

Kan de finnas så bör de finnas

Med hjälp av preonernas egenskaper och Albert Einsteins allmänna relativitetsteori har vi kunnat visa att en kompakt kropp som består av preoner, en preonstjärna, är fysikaliskt möjlig. Om sedan preonstjärnor verkligen bildas i stor mängd i universum är ännu okänt. Men i naturen verkar det som om allt som är möjligt också förverkligas. Eller för att låna ett uttryck från den amerikanske Nobelpristagaren Murray Gell-Mann, som förutsade kvarkarna långt innan de upptäcktes i experiment: "Allt som inte är strikt kvantmekaniskt förbjudet är obligatoriskt."

Preonstjärnornas storlek och massa bestäms av preonernas egenskaper. Eftersom partikelfysiken hittills har testat energier upp till ungefär 1 teraelektronvolt (ett tusen miljarder elektronvolt) utan några spår av preoner, måste de ha högre energi än så.

Hög energi kan i kvantfysiken översättas till korta avstånd. Det innebär att storleken på en preon kan vara högst 10-19 meter, eftersom man redan har undersökt materien ner till den nivån utan att ha sett några preoner.

Ur detta resonemang kan vi räkna fram att preonstjärnor inte kan vara större än två meter i diameter, samtidigt som massan motsvarar ungefär hundra jordklot! Preonstjärnor är mycket kompaktare än neutronstjärnor. Det innebär att den nya rangordningen för kompakta kosmiska objekt, i ökande densitetsordning, blir: vita dvärgar, neutronstjärnor, preonstjärnor, svarta hål.

Kan utgöra mörk materia

Den mest uppenbara rollen som preonstjärnor kan spela i kosmos är som så kallad mörk materia. Ur flera oberoende observationer vet man att materien i världsalltet till stor del tycks bestå av någon exotisk form av materia som hittills inte har kunnat ses direkt.

Dessa indikationer kommer bland annat från rotationen hos spiralgalaxer och rörelsen hos galaxer i galaxhopar. Bägge rör sig alldeles för snabbt för att kunna hållas samman av gravitationen från enbart den synliga materien. Eftersom vi också vet att galaxer och galaxhopar har existerat i miljardtals år så måste de vara stabila, och för att förklara detta krävs en stor mängd mörk materia. Den kallas mörk just för att den inte strålar ut något eget ljus och alltså är osynlig för våra teleskop.

All mörk materia i universum skulle i princip kunna vara preonstjärnor. I vår egen galax, Vintergatan, behövs bara en preonstjärna per miljon solsystem för att de ska utgöra all saknad materia. De är alltså rätt sällsynta och dessutom extremt små - det förklarar varför astronomerna ännu inte har upptäckt dem.

Ytterligare en astronomisk gåta som preonstjärnor kan hjälpa till att lösa är var de allra mest energirika kosmiska strålarna kommer ifrån. Kosmisk strålning består av partiklar, i huvudsak protoner, som träffar jordens atmosfär med hastigheter nära ljusets. Men inom det, kosmologiskt sett, korta avstånd som krävs finns det inga kända objekt i rymden som kan accelerera kosmiska strålar till de ofantliga energier som har observerats. Preonstjärnor passar dock perfekt som källa till dessa högenergetiska kosmiska strålar. Dels kan de finnas nära oss, dels kan de ha tillräckligt starka magnetfält och höga rotationshastigheter för att accelerera protoner till de högsta energierna.

Var kommer de ifrån?

En obesvarad fråga är: Hur skapas preonstjärnor? Det finns minst två sätt på vilka de skulle kunna bildas. De kan ha uppstått ur densitetsvariationer i det tidiga universum eller, under senare delar av världsalltets historia, när döende stjärnor kollapsar.

Mycket små preonstjärnor kan troligen ha producerats i tillräcklig mängd ur densitetsvariationer i universums begynnelse. Att det måste ha funnits sådana variationer vet man redan, annars skulle inte alla de stjärnor, galaxer och galaxhopar som vi ser i dag ha kunnat bildas. Frågan är bara om variationerna var av rätt slag för att skapa preonstjärnor i sådan mängd att de utgör den mörka materien. Idén har fördelen att den undviker den gräns som är satt av big bang-teorin för hur mycket normal materia det kan finnas i universum. Preonstjärnor skulle ha bildats mycket tidigare än vanlig materia, så denna begränsning gäller inte för dem.

När det gäller den andra möjligheten finns det ännu inget svar på frågan om det är möjligt att preonstjärnor kan skapas ur döende stjärnor. Kan en stjärna på åtskilliga solmassor slunga ut merparten av sin massa under kollapsen, och på så sätt bilda en preonstjärna i stället för ett svart hål? Det finns i dag inget som direkt motsäger att en preonstjärna tung som vår jord skulle kunna formas av en döende stjärna på åtskilliga solmassor. Skulle detta vara möjligt, kan preonstjärnor ha uppstått ur den allra första generationen stjärnor i universum, de så kallade population-III-stjärnorna. Man vet att sådana stjärnor måste ha funnits, men ingen har någonsin lyckats se dem. Det kan bero på att de var extremt tunga och därför mycket kortlivade.

Lämnar spår

Eftersom preonstjärnor är så små, kanske som fotbollar eller mindre, är chansen att se dem direkt i teleskop närmast obefintlig. Den viktigaste utmaningen ligger därför i att ta fram exakta signaturer, ett slags "fingeravtryck" för preonstjärnor, som astronomerna kan söka efter.

En metod att finna dem bygger på en speciell effekt - så kallad gravitationslinsning. I Einsteins allmänna relativitetsteori är gravitation inte en kraft utan en krökning av den fyrdimensionella rumtiden. Det innebär att en ansamling av materia kan fungera ungefär som en vanlig optisk lins. Och mycket riktigt har astronomerna kunnat se att ljus från mycket avlägsna objekt förstärks när det passerar en stor massa på vägen mot våra ögon.

Preonstjärnor är dock alldeles för små för att ge en sådan ökning av ljusstyrkan från ett bakomliggande objekt. I stället uppstår en annan ljuseffekt som liknar den man får när laserljus passerar genom en smal öppning.

För preonstjärnorna ser man denna optiska effekt i röntgen- och gammaområdet av ljusets spektrum. Därför passar blixtar av gammastrålning eller heta vita dvärgar utmärkt som ljuskällor för att upptäcka preonstjärnor. Man har hittills upptäckt ett fåtal kandidater av just det här slaget som ger en indirekt indikation på att preonstjärnor kan finnas.

En annan metod att hitta preonstjärnor är att studera kosmisk strålning med extremt höga energier. Eftersom dessa strålar har så hög energi böjs de inte av på vägen mot oss av Vintergatans magnetfält. På så sätt kan vi få direkt information om var på himlen en preonstjärna kan ligga. Sedan får man ta till andra observationsmetoder för att ta reda på om det verkligen ligger en preonstjärna där.

Det bästa vore givetvis om preoner kunde upptäckas i partikelacceleratorer på jorden. Detta kommer dock bara att fungera om preoner uppträder vid relativt låg energi, mindre än något hundratal teraelektronvolt. Om preonerna är mycket massivare än så, finns ingen chans att se dem direkt i acceleratorer inom överskådlig framtid.

Så för att tränga längre in i materiens fundamentala struktur får vi i stället förlita oss på astronomiska observationer. Med dagens observatorier kan man redan nu börja undersöka om preoner existerar, något som kanske inte kommer att vara möjligt i acceleratorer inom hundra år, om ens någonsin. Paradoxen är alltså att ju mindre storlekar vi vill studera, desto större anledning har vi att blicka ut i universum i stället för in i atomkärnorna.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

5

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
11 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Kommentarer

Jag kan inte få ihop matematiken i artikeln på 3 ställen:1. Det visas en kula som är ca 4-6 cm stor och det sägs i titeln att den är tyngre än jorden. Senare sägs det att ett klot på 2 m i diameter skulle väga mer än flera hundra jordklot. En enkel beräkning ger dock resultatet 50 000 – 100 000 gånger tyngre. 2. Det sägs att all mörk materia som saknas skulle i princip vara preonstjärnor och att en sådan stjärna är rätt sällsynt, och att en på en million solsystem skull räcka.Det saknas om jag förstår rätt fem sjättedelar av all materia. Dom enkla preonstjärnorna skulle alltså väga lika mycket som sexmillioner solsystem. Dessutom är en på en million inte alls sällsynt. Om vi föreställer oss en kub på 100 gånger 100 gånger 100 solsystem och i dess mitt en preonstjärna som väger 6 gånger mera än alla andra sammantagna ville detta ge sig till känna i våra teleskop. I synnerhet med tanke på att närmaste preonstjärna ville ligga på max 50 solsystems avstånd.3. Men det säg i artikeln att 2 m är max storlek. Därför måste det finnas små klot i gigantiska mängder. Endast i vårt solsystem måste det finnas nog för att svara för massan av ca tvåmillioner jordklot för att utgöra den saknade mörka materien. Men det har aldrig funnits ett större antal preonklot i vårt solsystem, annars hade åtminstone några fastnat i en bana och då hade vi garanterat upptäckt dom eller den, eller också hade någon enstaka blivit uppslukad av t ex Jupiter eller solen. Det finns ingen i Jupiter. Skulle en eller att par stycken finnas i solen vore detta visserligen en jätteupptäckt som kanske kunde förklara många fenomen. Men för en avgörande part av den mörka materian kan dom inte stå.Någonstans här stämmer det inte.Tack för ett i övrigt mycket bra magasin.

Svar 1:Påståendet i artikeln stämmer. Felet med din beräkning är förmodligen att du antagit att densiteten i "kulan" är konstant och sedan skalat om dess volym. Densiteten i preonstjärnor (och neutronstjärnor) är så hög att en sådan överslagsräkning ger helt fel resultat.Ett exempel: Man kan göra en enkel semi-klassisk uppskattning av radien och massan för en neutronstjärna genom att anta att dess fysikaliska radie är lika med dess Schwarzschildradie, dvs man approximerar objektet med ett svart hål. För en neutronstjärna ger detta en massa och en radie som stämmer överens med observationer. Schwarzschildradien är R_s = 2*G*M/c^2där M är massan, G gravitationskonstanten och c ljusets fart. Observera att massan skalar som R^1 och INTE R^3. För en närmare beskrivning av hur man kan uppskatta massan och radien för ett kompakt objekt hänvisar vi till boken Compact Stars - Nuclear Physics, Particle Physics and General Relativity av Norman K. Glendenning. Se speciellt kapitlet "Gravitational Units and Neutron Star Size".För mer information om hur vi uppskattat radien och massan för en preonstjärna hänvisar vi till J. Hansson & F. Sandin, Physics Letters B 616 (2005) 1-7.Där finns både semi-klassiska och allmänrelativistiska resultat. T.ex. kan man ur figurerna utläsa att en preonstjärna på en jordmassa har en radie som är ~0.017m, vilket är något mindre än radien för den kula som vi håller i på bilden.För att underlätta ytterligare för läsaren så är det inte helt klart vad som menas med "radie". Den "fysikaliska radien" (koordinatradien) för ett kompakt objekt skiljer sig väsentligt från den radie som man observerar, eftersom ljuset som lämnar objektet (eller passerar i dess närhet) avböjs i den starkt krökta rumtiden.Vi var tvungna att förenkla och det blir oundvikligen missförstånd när man försöker popularisera ting som inte är kompatibla med vår intuition, så det är bra att du frågar.Svar 2&3:Detta blev lite luddigt i artikeln. Tanken är inte att preonstjärnor skulle vara all mörk materia. Den mörka materien, om den finns, har rimligen en rad olika komponenter. Vi har beaktat extremfallet att all mörk materia utgörs av preonstjärnor för att se om det medför en orimligt hög antaldensitet, som med säkerhet skulle ha detekterats på ett eller annat sätt.Beräkningen som visar att en preonstjärnas massa måste vara lika stor som sex miljoner solsystems massa för att förklara all mörk materia är fel. Avståndet mellan "solsystemsvolymerna" som faktiskt är fyllda med stjärnor och planeter är fantastiskt stort. Solens närmaste grannstjärna ligger ju hela fyra ljusår bort! Densiteten som krävs för mörk materia i galaxen är extremt mycket mindre än medeldensiteten i vårt solsystem. Preonstjärnor ligger mycket tätare än solsystemen, men ändå med extrema avstånd emellan. Men precis som du säger måste antalet preonstjärnor vara fler ju mindre de är, för att kunna utgöra (en viss del av) den mörka materien.

Borde inte det finnas någon preonstjärna som ingår i ett dubbel eller trippelstjärnsystem? Går det med dagens observationsteknik att skilja dessa från system med potentiella svarta hål?Med vänlig hälsning,Weine Josefsson

Hej Weine,intressanta frågor! Om preonstjärnor finns så kan de lämna spår i t.ex. röntgenspektra av gammablixtar. Enligt våra uppskattningar så borde en preonstjärna ha en massa som är tillräckligt liten för att ett frekvensberoende diffraktionsmönster skall uppstå i ett sådant röntgenspektra, om en preonstjärna råkar ligga mellan gammablixten och jorden. Effekten uppstår på grund av gravitationslinsning (femtolinsning) och uppenbarar sig i så fall som ett oväntat linjespektra. Ett villkor för att detta skall kunna inträffa är att det finns många preonstjärnor, annars skulle sannorlikheten för linsning bli orimligt liten. Preonstjärnor kan med den här observationsmetoden inte särskiljas från små svarta hål, men inom ramen för de kosmologiska modeller som används så kan det inte finnas tillräckligt många små svarta hål för att linsning skall uppstå på grund av dem. Linjespektra från gammablixtar har för övrigt identifierats av satelliterna Konus, Heao 1 och Ginga på 80-talet, men ännu har man inte lyckats reda ut vad som orsakat dem. Om det finns nog många preonstjärnor så borde de bilda dubbelsystem. Dessa kan i så fall vara källor till högfrekvent gravitationsstrålning. Om denna kan vara tillräckligt intensiv för att kunna detekteras vet vi inte ännu. Frågan är intressant eftersom gravitationsvågornas frekvens är kopplad till rotationsfrekvensen, som i sin tur är begränsad av objektens storlek.

Om jag helt skiter i matten som inte är min starka sida så rent logiskt tycker jag ni gör saker mer komplicerade än vad de behöver vara.
Runt om i naturen så löser det sig helt naturligt och det mesta finns i fraktaler eller kurvor.
Jag blev väldigt glad härom året då kvarkstjärnorna hittades.
De där kvasarerna hade spökat i mina teorier länge och helt plötsligt så fanns pusselbiten där och bara passade in i kurvorna.

Jorden tappar väte.
Solen utstrålar en massa saker från joner till radiostrålning
Vita dvärgar utstrålar lite synligt ljus och har ett smalare spektrum.
Neutronstjärnor har kollapsat och i deras inre sker en massa krockar och de utstrålar radiostålning och röntgenstrålning beroende på massa och densitet.
Kör vi en till kollaps så får vi kvarkstjärnor som egentligen borde heta neutronstjärnor. Där har gravitationen tryckt ihop massa så liten att protroner sönderfaller till neutroner och positroner. Positronerna krockar med elektronerna i soppan och ut vid polerna skjuter så klart gammastålning ut.
(Att krocken mellan elektron och postron ibland genrerar tre gammastrålar betyder att det förmodligen finns en större modell av antingen positroner eller elektroner. Troligtvis av Postronen eftersom elekronernas väl och ve är väl utforskat inom elektroniken)

Någonstans här passar dina Preonstjärnor in som en till pusselbit i min teori.

Slänger vi dit lite mer massa så får vi en till kollaps och då har vi ett svart hål av modell mindre.
Det finns ingenting i de andra logiska modellerna som gör att vi helt plötsligt måste tänka om.
Det kommer in en massa materia som omvandlas till ren energi i det svarta hålet.
Precis som i tidigare fall så eftersträvar naturen jämvikt och ut vid polerna skjuts det ut något som sprids runt i universum.
Kvarkarna har så liten massa att det kan undfly gravitationen ungefär som väteatomerna på jorden och de sugs inte heller tillbaka utan sprids i ett stort moln runt galaxen och finns som en slags atmosfär.
Mängden svart materia stämmer enl min logik in på hur mycket svart materia borde sprutat ur alla mindre och mellanstora svarta hål som finns och har funnits.

Sedan har vi superhålen i mitten på alla galaxer.
Skall jämviktsteorin hålla så bör det även här försvinna energi för att inte hålen skall explodera.
Det enda som kan lämna dessa ultrakompakta kroppar är rena strängar.
Men då blir det jobbigt eftersom vi vet för lite om strängar.
Om vi för husfriden bara tänker oss en ursträng.
En liten kort sak som vibrerar frenetiskt pga sitt enormt höga energinnehåll. En slags urpartikel för energi helt enkelt.
Vi kan räkna på mörk energi och vad jag fattat så motsvaras mängden mörk energi med vad som borde spottas ut ur supermassiva svarta hål.
Vi måste då så klart räkna en kurva med kvarkar/leptoner i ena änden och supermassiva svarta hål med enkelsträngar i den andra änden.
Mindre massiva svarta hål torde i de här tankegångarna kunna spotta ur sig mindre energirika strängar som klistrat ihop sig på olika sätt eller inte sönderfallit till ursträngen.
Vi lär om några år när Plancteleskopet är igång kunna urskilja olika sorters svarta hål där materien kollapsat i en trappa där de näst största endast strålar uppkvarkar medans de mindre kanske bara kan behålla toppkvarkarna.
Antal steg på trappan bör vara samma antal som det finns olika kvarkar.
Har trappan 8 steg blir det till att räkna lite och köra ett varv till i Cern.

En logisk modell av vintergatan i mitt universum borde vara rätt likt den modell vi får när tar med den mörka materia och den mörka energi som måste finnas för att modellen skall sammanfalla med verkligheten.

Frågorna jag ställer mig är:
1. Kvarkstjärnorna eller kvasarerna spinner runt som tokiga åt alla håll.
Ut från dess poler har en en kraftig stråle som flackar runt universom likt en full fjortis med laserpekare
Det pratas en hel del att om jorden skulle få en direkträff av en närliggande kraftig kvarkstjärnas/kvasars gammastråle så skulle allt liv på jorden dö ut omedelbart.
Skulle vi här på jorden märka av om vi blev bombarderade av en stråle uppkvarkar eller strängar på samma sätt?

De supermassiva är ju i mitten av vintergatan så vi har ju rätt mycket skydd mot just strålar av strängar så de strålar av strängar som passerat vintegatans massa på vägen mot oss dödar oss förmodligen inte på direkten men lär ändå kunna ge jordens kärna en energikick vad nu det kan innebära med vulkanutrott och liknande.

Frågan är berättigad eftersom solsystemet inom en väldigt snar framtid kommer att korsa vintergatans horisontalplan och vi är redan i riskområdet.

Om vi kunde mäta så är det troligtvis en ganska tjock soppa som solsystemet simmar igenom och den blir bara tjockare allt eftersom vi närmar oss horisontalplanet (2012)
Den här fötjockningen av omgivningen är som sagt inte mätbar med de instrument vi har idag utan vi måste titta på vad som händer omkring oss och indirekt se .
Vi ser dock att solen spyr ut mer energi än vad den borde under solfläcksminimum och vi märker att solfläckscykeln är rubbad.
Att solen ger ifrån sig mer energi betyder indirekt varmare klimat på jorden vilket vi sett. (Varför inte solvariationerna är med i klimatmodellerna är det väl ingen inom astrovetenskaperna som fattar)

Vilka tecken borde vi kunna utläsa här på jorden som är till följd av att "etern" är tjockare?
Oförklarliga kärnkraftolyckor? Oförklarliga kemiska föreningar som uppstår spontant? Ökad frekvens på missbildningar på allt liv? Elektronik som sätts ur spel? Helt nya grundämnen? Skulle jordens kärna kunna energiberikas bara av att vi passerar ett moln med kvarkar?

Innan du förkastar min idé alldeles så fundera lite på hela stora bilden.
Den kan mycket väl hända att det finns felaktigheter på detaljnivå i min teori men på det hela stora är jag rätt nöjd.
Jag kan nämligen inte få in i min skalle varför svarta hål skulle skapa andra naturlagar.
De borde styras av samma lagar som resten av universum. Det är nog bara så att vi inte lyckats mäta vad som händer och därigenom inte får hela bilden.

Lägg till kommentar