Dlaczego nie istnieją gwiazdy protonowe?

Umierająca gwiazda może pozostawić po sobie dziwaczny, ultragęsty twór znany pod nazwą gwiazdy neutronowej. Ale skoro tak, to czy jest we wszechświecie również miejsce dla gwiazd protonowych?

Krótko. Po pierwsze, brak gwiazd protonowych wynika z samego mechanizmu umierania gwiazdy. W momencie zapadania materii elektrony łączą się z protonami masowo tworząc właśnie neutrony. Po drugie, protony w odróżnieniu od neutronów niosą ładunek elektryczny i ulegają wzajemnemu odpychaniu, w związku z czym trudniej byłoby im samodzielnie sformować większy obiekt.

Rozważmy neutron. To dość masywna i neutralna elektrycznie cząstka, która wraz z dodatnio naładowanym protonem, współtworzy jądra zdecydowanej większości pierwiastków. Przykładowo każdy atom węgla w naszych ciałach zawiera po sześć protonów i neutronów, a każdy atom tlenu osiem protonów wraz z ośmioma neutronami. Jednak mimo swojej powszechności i odgrywania niezwykle donośnej roli w naturze, neutrony czują się pewnie wyłącznie w grupie. Ta sama cząstka wyciągnięta poza atom i pozostawiona sama sobie, przeżywa zaledwie kwadrans, po czym ulega rozpadowi z wyzwoleniem protonu i elektronu.

Wbrew pozorom nie jest to informacja zbędna w interesującym nas kontekście. Gdy wybija ostatnia godzina żywotu dorodnej gwiazdy i dalsza synteza w jej jądrze ulega wyhamowaniu, dochodzi do kolapsu. Monstrualne ciśnienie zgniata masę dziesięciu Słońc do rozmiarów niewielkiej planety. W samym centrum tego grawitacyjnego tygla dochodzi do zjawiska zgoła odwrotnego do przywołanego wcześniej rozpadu beta. Ścisk jest na tyle duży, że elektrony zostają wręcz wepchnięte w protony, w wyniku czego dochodzi do hurtowego wytworzenia neutronów. Powstaje patologiczny, choć fascynujący obiekt, zbudowany już nie z klasycznych atomów, jak wszystko co znamy z Układu Słonecznego, lecz z egzotycznej zdegenerowanej materii – a w samym jądrze – z ubitej neutronowej masy. (Zresztą na tym egzotyka gwiazd neutronowych się nie kończy. Tony Hewish i Jocelyn Bell, którzy jako pierwsi zarejestrowali taki twór w 1967 roku, dostrzegli emitowane z nadzwyczajną regularnością, pulsacyjne sygnały radiowe wskazujące na szokujące tempo ruchu obrotowego. Stąd popularność terminu pulsar).

Tworzenie neutronu z protonu i elektronu

Już na tym etapie uważny czytelnik powinien samodzielnie dojść do wniosku, że nie odnajdujemy gwiazd protonowych, bo najzwyczajniej brakuje mechanizmu fizycznego, który mógłby je uformować. Przy odpowiednio ekstremalnym ciśnieniu protony w naturalny sposób konwertują w neutrony – ale nie odwrotnie.

Pójdźmy jednak o krok dalej. Nawet gdyby wskutek jakiegoś nieznanego procesu w jądrze gwiazdy ostały się samotne protony, to – w odróżnieniu od neutronów – nie byłyby one w stanie uformować żadnego większego obiektu. Powód jest prozaiczny: dwie cząstki o tożsamym ładunku elektrycznym zawsze będą się odpychać. Równie dobrze moglibyśmy bawić się dwoma magnesami neodymowymi o gwiazdowych masach (co może pójść nie tak?).

Macie prawo podchodzić do tego wyjaśnienia podejrzliwie. Wszakże w pospolitych jądrach atomów protony potrafią ze sobą współegzystować tworząc mniej lub bardziej stabilne pierwiastki. To prawda, ale dzieje się tak tylko dlatego, że fizyka mikroświata dysponuje dodatkowym klejem. Kiedy destrukcyjne siły elektromagnetyzmu próbują rozsadzić jądro atomu, na scenę wkracza nasz cichy bohater – oddziaływanie silne – chwytając wszystkie nukleony za twarz i gwarantując stabilność materii.

Siła oddziaływania silnego

Jednak mimo niezaprzeczalnej potęgi nie jest to spoiwo, przy pomocy którego moglibyśmy ulepić gwiazdę protonową, czy nawet neutronową. Oddziaływanie silne kładzie wszystkie inne na łopatki – lecz wyłącznie na króciutkich, subatomowych dystansach. Właśnie dlatego nie obserwujemy nigdzie w przyrodzie jąder liczących tysiące, miliony czy miliardy cząstek. Uległyby one natychmiastowemu i samoistnemu rozpadowi.

Aby hipotetyczna gwiazda protonowa mogła zaistnieć i przetrwać, musiałaby więc zadziałać jakaś poważna i długodystansowa siła, która zniwelowałaby wzajemną niechęć między naładowanymi protonami. Pewnie myślicie teraz o grawitacji. W rzeczywistości stanowi ona beznadziejnie lichą więź. Elektromagnetyzm łączący elektron z protonem w atomie wodoru jest – uwaga, uwaga – 1036 razy mocniejszy od działającej między tymi cząstkami grawitacji. Owszem, ta sama grawitacja daje radę utrzymywać w ryzach materię gwiazdy neutronowej, tyle, że w odróżnieniu od protonów, bierne i grzeczne neutrony nie stawiają jej żadnego oporu.

Dlatego wszechświat jest pełen gwiazd neutronowych, być może skrywa również gwiazdy kwarkowe, ale nie uświadczymy w nim ciał niebieskich złożonych niemal wyłącznie z protonów.

Jak długo potrwa misja Teleskopu Webba? Samobójstwo z kometą w tle. Tragiczny przypadek sekty Heaven’s Gate LIGO-Virgo i fale grawitacyjne – rozmowa z Adamem Kutynią