Nieuwe grenzen stellen aan het binnenste van neutronensterren

Hoe kunnen we omgevingen begrijpen die op aarde niet kunnen worden gerepliceerd? Dit is een uitdaging waar astrofysici voortdurend voor staan. In sommige gevallen is het grotendeels een kwestie van uitzoeken hoe goed begrepen natuurkunde kan worden toegepast op extreme omstandigheden en vervolgens de uitvoer van deze vergelijkingen vergelijken met waarnemingen. Maar de opmerkelijke uitzondering hierop is de neutronenster, waar de relevante vergelijkingen behoorlijk lastig worden en de waarnemingen niet veel details bieden.

Daarom, hoewel we er zeker van zijn dat er een laag van bijna zuivere neutronen in de buurt van het oppervlak van deze objecten is, weten we niet helemaal zeker wat er in hun diepste diepte aanwezig zou kunnen zijn.

Deze week publiceert de natuur een onderzoek dat probeert ons dichter bij begrip te brengen. Het geeft ons geen antwoord – er is nog veel onzekerheid. Maar het is een geweldige kans om te kijken hoe wetenschappers gegevens uit een breed scala aan bronnen kunnen halen en deze onzekerheden kunnen verminderen.

Hoe zit het met neutronen?

De materie waaruit neutronensterren bestaan, begint als geïoniseerde atomen nabij de kern van een massieve ster. Zodra de fusiereacties van een ster stoppen met het produceren van voldoende energie om de zwaartekracht tegen te gaan, trekt dit materiaal samen en ervaart het toenemende druk. De verpletterende kracht is voldoende om de grenzen tussen atoomkernen te elimineren, waardoor een gigantische soep van protonen en neutronen ontstaat. Uiteindelijk worden zelfs de elektronen in het gebied gedwongen om veel protonen te vormen en deze om te zetten in neutronen.

Dit zorgt uiteindelijk voor een kracht om de verpletterende kracht van de zwaartekracht te comprimeren. Kwantummechanica verhindert dat neutronen dezelfde energietoestand innemen, dicht bij elkaar, en dit voorkomt dat neutronen dichtbij komen, en dus voorkomt dat ze ineenstorten in een zwart gat. Maar het is mogelijk dat er een tussentoestand is tussen een massa neutronen en een zwart gat, waar de grenzen tussen neutronen beginnen in te storten, wat resulteert in vreemde clusters van hun samenstellende quarks.

Dit soort interacties is onderhevig aan de sterke kracht, die quarks samenbindt tot protonen en neutronen en vervolgens die protonen en neutronen tot atoomkernen bindt. Helaas zijn berekeningen met extreme kracht rekenkundig erg duur. Als gevolg hiervan is het niet mogelijk om ze aan het werk te krijgen met het soort energieën en dichtheden die in een neutronenster worden aangetroffen.

Maar dat betekent niet dat we vast zitten. We hebben ruwe schattingen van de sterke kracht die kan worden berekend bij de relevante energieën. En hoewel deze ons grote twijfels bezorgen, is het mogelijk om een ​​verscheidenheid aan empirisch bewijs te gebruiken om deze onzekerheden te verminderen.

Hoe kijk je naar een neutronenster?

Neutronensterren zijn ongelooflijk compact voor hun massa en persen een massa die groter is dan de massa van de zon in een object van slechts ongeveer 20 km breed. Het dichtstbijzijnde dat we kennen, is honderden lichtjaren verwijderd, en het meeste ervan is veel verder weg. Dus het lijkt erop dat het onmogelijk is om veel te doen met de manier waarop deze dingen worden afgebeeld, toch?

Niet helemaal. Veel neutronensterren bevinden zich in systemen met een ander lichaam – in sommige gevallen een neutronenster. De manier waarop deze twee objecten elkaars banen beïnvloeden, kan ons veel vertellen over de massa van een neutronenster. NASA heeft ook een speciaal observatorium voor neutronensterren dat aan het internationale ruimtestation is bevestigd. NICER (Nutron Star Interior Composition Explorer) gebruikt een reeks röntgentelescopen om gedetailleerde beelden te maken van neutronensterren terwijl ze ronddraaien. Hierdoor kon ze dingen doen zoals een bestand bijhouden Gedrag bij één hotspot op het oppervlak van de ster.

En vooral voor dit werk, NICER .can Detectie van ruimtetijdvervorming rond grote neutronensterren en gebruik dit om een ​​redelijk nauwkeurige schatting van hun grootte te maken. In combinatie met een solide schatting van de massa van een neutronenster, is het mogelijk om de dichtheid te berekenen en te vergelijken met het soort dichtheid dat je zou verwachten van iets dat pure neutronen is.

Maar we zijn niet alleen beperkt tot fotonen als het gaat om het evalueren van de vorming van neutronensterren. In de laatste jaren , neutronenster fusie De exacte details van dit signaal worden gedetecteerd via zwaartekrachtsgolven en zijn afhankelijk van de eigenschappen van de sterren die samensmelten. Daarom kunnen deze fusies ook helpen om enkele potentiële neutronenstermodellen uit te sluiten.