Zlatý věk fyziky neutronových hvězd dorazil

když masivní hvězda zemře v supernově, exploze je pouze začátkem konce. Většina hvězdné hmoty je hozena daleko a široce, ale srdce plné železa hvězdy zůstává pozadu. Toto jádro zabalí tolik hmoty jako dvě slunce a rychle se zmenší na kouli, která by pokrývala délku Manhattanu. Drcení vnitřní tlak — stačí zmáčknout Mount Everest na velikost kostky cukru — pojistky subatomární protonů a elektronů na neutrony.

astronomové toho vědí hodně o tom, jak se rodí neutronové hvězdy., Přesto přesně to, co se stane poté, uvnitř těchto ultra hustých jader, zůstává záhadou. Někteří vědci se domnívají, že neutrony mohou dominovat až do centra. Jiní předpokládají, že neuvěřitelný tlak zhutňuje materiál do exotičtějších částic nebo států, které se neobvyklými způsoby rozmačkávají a deformují.

Nyní, po desetiletích spekulace, vědci jsou stále blíže k vyřešení záhady, z části díky nástrojem na Mezinárodní Vesmírné Stanici zvané Neutronové Hvězdy Vnitřní Složení Explorer (HEZČÍ).,

v prosinci Loňského roku, to NASA, kosmické observatoře za předpokladu astronomů s některé z nejvíce přesné měření, kdy z neutronové hvězdy o hmotnosti a radius1,2, stejně jako nečekané zjištění o jeho magnetického pole1,3. Hezčí tým plánuje zveřejnit výsledky o více hvězdách v příštích několika měsících. Další data přicházejí z gravitačních vln observatoří, které mohou sledovat neutronové hvězdy zkroucení, když se zhroutí dohromady. S těmito kombinovanými pozorováními, vědci jsou připraveni na nulu v tom, co vyplňuje vnitřnosti neutronové hvězdy.,

pro mnohé v oboru tyto výsledky znamenají zlom ve studiu některých z nejvíce zmatených objektů vesmíru. „Začíná to být zlatý věk neutron-hvězdičkový fyziky,“ říká Jürgen Schaffner-Bielich, teoretický fyzik na Goethe University ve Frankfurtu nad mohanem, Německo.

Zahájena v roce 2017 na palubě SpaceX Falcon 9 raketa, US$62 milionů HEZČÍ dalekohled sedí venku v prostoru nádraží a shromažďuje X-paprsky přicházející z pulsary — rotující neutronové hvězdy, které vyzařují nabité částice a energie v obrovské sloupy, které zatočíme jako paprsky z majáku., X-paprsky pocházejí z milionů stupňů hotspotů na pulsar povrchu, kde silné magnetické pole ripy nabité částice z vnější a zabouchne je zpátky dolů na opačné magnetické pole.

hezčí detekuje tyto rentgenové záření pomocí 56 zlatých dalekohledů a časová razítka jejich příjezdu do 100 nanosekund. S touto schopností mohou vědci přesně sledovat hotspoty jako neutronová hvězda biče kolem až 1 000krát za sekundu. Hotspoty jsou viditelné, když se houpají po objektu., Ale neutronové hvězdy warp časoprostor tak silně, že hezčí také detekuje světlo z hotspotů směrem od země. Einsteinova obecná teorie relativity poskytuje způsob, jak vypočítat poměr hmotnosti a poloměru hvězdy prostřednictvím množství ohybu světla. To a další pozorování umožňují astrofyzikům zachytit masy a poloměry zesnulých hvězd. Tyto dvě vlastnosti by mohly pomoci při určování toho, co se děje dole v jádrech.

hluboké, temné tajemství

neutronové hvězdy se komplikují tím hlubším., Pod tenkou atmosféru vyrobeny převážně z vodíku a helia, hvězdné zbytky jsou myšlenka pochlubit vnější kůra jen centimetr nebo dva tlustý, který obsahuje atomových jader a free-roaming elektrony. Vědci si myslí, že ionizované prvky se zabalí do další vrstvy a vytvoří mřížku ve vnitřní kůře. Ještě dále dolů, tlak je tak intenzivní, že se téměř všechny protony se spojí s elektrony se obrátit na neutrony, ale to, co se vyskytuje mimo to je přinejlepším nejasné (viz ‚hmoty‘).,

„To je jedna věc, vědět, ingredience,“ říká Jocelyn Číst, astrofyzik na California State University, Fullerton. „Je to další pochopit recept, a jak se tyto složky budou vzájemně ovlivňovat.“

fyzici mají nějakou představu o tom, co se děje, díky urychlovačům částic na Zemi., Na zařízení, jako jsou Brookhaven National Laboratory v Uptonu, New York, a CERNU Large Hadron Collider poblíž Ženeva, Švýcarsko, vědci rozbil spolu těžkých iontů, jako jsou ty, olova a zlata, vytvořit stručný sbírky neskutečně hustý materiál. Tyto kinetické experimenty však vytvářejí záblesky miliard-nebo dokonce bilionů stupňů, ve kterých se protony a neutrony rozpouštějí do polévky svých kvarků a gluonů. Pozemské nástroje mají těžké sondování relativně mírné miliony stupňů podmínky uvnitř neutronových hvězd.,

existuje několik nápadů o tom, co by se mohlo stát. Mohlo by to být tak, že kvarky a gluony se volně potulují. Nebo by extrémní energie mohly vést k vytvoření částic nazývaných hyperony. Stejně jako neutrony obsahují tyto částice tři kvarky. Ale vzhledem k tomu, že neutrony obsahují nejzákladnější a nejnižší-energie kvarků, známý jako up a down kvarky, hyperon má alespoň jeden z těch nahrazuje exotické „podivné“ quark. Další možností je, že středem neutronové hvězdy je Bose-Einsteinův kondenzát, stav hmoty, ve kterém všechny subatomární částice působí jako jediná kvantově mechanická entita., A teoretici si vysnili i další bizarní vyhlídky.

rozhodující je, že každá možnost by se charakteristicky posunula proti kolosální gravitaci neutronové hvězdy. Vytvářely by různé vnitřní tlaky, a tedy větší nebo menší poloměr pro danou hmotnost. Například neutronová hvězda s Bose-Einsteinovým centrem kondenzátu bude mít pravděpodobně menší poloměr než jedna vyrobená z obyčejného materiálu, jako jsou neutrony. Jeden s jádrem vyrobeným z poddajné hyperonové hmoty by mohl mít ještě menší poloměr.,

“ typy částic a síly mezi nimi ovlivňují, jak měkký nebo rozmačkaný je materiál,“ říká Anna Watts, hezčí členka týmu na Amsterdamské univerzitě.

Rozlišování mezi modely vyžadují přesné měření velikosti a hmotnosti neutronových hvězd, ale vědci dosud nebyl schopen, aby se zasadila své techniky, aby v pořádku-dost úrovní říci, která možnost je nejpravděpodobnější. Obvykle odhadují hmotnosti pozorováním neutronových hvězd v binárních párech., Jako objekty oběžné dráze jeden druhému, že tug gravitačně na sebe, a astronomové mohou použít k určení jejich hmotností. Zhruba 35 hvězd mělo takto změřené hmotnosti, i když čísla mohou obsahovat chybové tyče až do jedné sluneční hmoty. Asi jen tucet jich také počítalo poloměry, ale v mnoha případech techniky nemohou tuto hodnotu určit na lepší než několik kilometrů — až pětinu velikosti neutronové hvězdy.,

hezčí metoda hotspotu byla použita rentgenovou observatoří Evropské kosmické agentury XMM-Newton, která byla spuštěna v roce 1999 a je stále v provozu. Hezčí je čtyřikrát citlivější a má stokrát lepší časové rozlišení než XMM-Newton. Během příštích dvou až tří let tým očekává, že bude moci použít hezčí k vypracování masy a poloměry dalších půl tuctu cílů, připnout jejich poloměry do půl kilometru., S touto přesností, skupina bude dobře umístěna pro zahájení vykreslování, co je známé jako neutron-hvězdičkový stavová rovnice, která se týká hmotnosti a poloměru, nebo, ekvivalentně, vnitřní tlak na hustotě.

pokud mají vědci zvláštní štěstí a příroda se stane, že slouží obzvláště dobrým datům, hezčí může pomoci odstranit určité verze této rovnice. Většina fyziků si však myslí, že observatoř se sama o sobě pravděpodobně zužuje, než aby zcela vyloučila modely toho, co se děje v jádrech tajemných objektů.,

„stále by to byl obrovský pokrok v tom, kde jsme nyní,“ říká Watts.

siločáry

HEZČÍ je první cíl byl J0030+0451, izolované pulsar, která se točí zhruba 200 krát za sekundu a je 337 parseků (1,100 světelných let) od Země, v souhvězdí Ryb.

Dvou skupin — jedné založené primárně na University of Amsterdam1 a další vedená výzkumníky na University of Maryland v College Park2 — samostatně prosátou přes 850 hodin pozorování, sloužící jako kontroly na jeden další.,

Protože hotspot světelné křivky jsou tak složité, skupiny potřebné superpočítače na modelu různé konfigurace a práce, které z nich nejlépe hodí údajů. Oba ale přišli s podobnými výsledky, když zjistili, že J0030 má hmotnost 1,3 nebo 1,4 násobek hmotnosti Slunce a poloměr zhruba 13 kilometrů.,

tyto výsledky nejsou definitivní: mohly by být použity k podpoře světských nebo nadpozemských předpovědí toho, co je uvnitř vnitřností neutronových hvězd. „Zatím neexistuje žádný požadavek na nic funky nebo bláznivého nebo exotického,“ říká Andrew Steiner, jaderný astrofyzik na University of Tennessee v Knoxville.

vědci dostali větší překvapení se zjištěními o tvaru a poloze hotspotů., Kanonické zobrazení neutronových hvězd má své magnetické pole řádky vypadající jako ty okolní bar magnet, s severní a jižní strany vznikající z kruhové skvrny na opačných koncích hvězda. Naproti tomu Nizozemské simulace superpočítačů naznačovaly, že obě hotspoty J0030 jsou na jižní polokouli a že jedna z nich je dlouhá a půlměsícovitá1. Tým Maryland také přišel s možností řešení tří hotspotů: dvou jižních oválných a závěrečného kruhu poblíž rotačního jižního pole3.,

„To vypadá, jako by udělal první skutečný detekce pulsarů, kde jsou paprsky nejsou o 180 stupňů odděleny,“ říká Natalie Webb, astrofyzik z Ústavu pro Výzkum Astrofyziky a Planetologie v Toulouse, ve Francii, který má modelovat takové možnosti. „To je fantastické, pokud je to pravda.“

výsledky by posílit předchozí pozorování a teorie, což naznačuje, že neutronové hvězdy‘ magnetická pole, která jsou jeden bilion krát jasnější než Slunce, může být složitější, než se obecně předpokládá., Po první formě se předpokládá, že pulsary zpomalí jejich rotaci po miliony let. Ale pokud mají kolem sebe doprovodnou hvězdu, mohli by od tohoto partnera ukrást materiál a úhlovou hybnost a zvýšit jejich spřádání na superrychlé rychlosti. Jako záležitost dostane uloženy na star exteriéru, některé teorie naznačují, že by mohly mít vliv tekutiny-jako vrstvu podpovrchové neutrony, vytváří obrovské víry, které twist neutronová hvězda magnetické pole do zvláštní opatření., Společník může být nakonec spotřebován nebo ztratit tolik hmoty, že se stane gravitačně nevázaným a odletí, jak by tomu mohlo být u nyní osamělého J0030.

probíhající práce

společnost nice pokračuje v pozorování J0030, aby dále zlepšila přesnost měření poloměru. Tým zároveň začíná analyzovat data z druhého cíle, o něco těžšího pulsaru s bílým trpaslíkem., Ostatní astronomové použili pozorování této dvojice orbital dance určit pulsar je hmotnost, což znamená, HEZČÍ vědci nezávislého měření, které mohou použít k ověření jejich zjištění.

Mezi HEZČÍ, cíle, tým plánuje zahrnout alespoň pár high-hmotnost pulsarů, včetně aktuální držitel rekordu pro nejvíce masivní neutronová hvězda — monstrum s hmotností 2.14 krát větší než Slunce. To by mělo vědcům umožnit Prozkoumat horní hranici: bod, ve kterém se neutronová hvězda zhroutí do černé díry. Dokonce i objekt 2.14-Solar-mass je pro teoretiky náročný na vysvětlení. Několik vědců také navrhlo, že by hezčí mohl najít dvě neutronové hvězdy se stejnou hmotností, ale různými poloměry., To by naznačovalo přítomnost přechodového bodu, při kterém malé rozdíly vytvářejí dvě odlišná jádra. Jeden může obsahovat většinou neutrony, například, a druhý může být složen z více-exotického materiálu.

přestože je hezčí v předvoji, není to jediný přístroj, který instaluje pulsary do hloubky. V roce 2017 NÁS Laserový Interferometr Gravitační-Wave Observatory (LIGO), spolu s Panna detektor v Itálii, zachytila signál ze dvou neutronových hvězd shazovat a sloučení together4., Jako objekty otáčet kolem jednoho ještě před havárií, že vyzařované gravitační vlny, které obsahovaly informace o hvězdy, velikost a strukturu. Každá hvězda je obrovské gravitační vliv zatahala a deformován jeho partner, kroutit jak z koule do kapkovitého tvaru. Množství zkreslení v těchto posledních okamžicích dává fyzikům vodítka o tvárnosti materiálu uvnitř neutronových hvězd.

LIGO zařízení v Livingston, Louisiana, zvedl druhý neutron-star smash-up loni v dubnu, a další události, by mohl být spatřen v každém okamžiku., Dosud obě fúze naznačovaly pouze vlastnosti interiérů neutronových hvězd, což naznačuje, že nejsou nijak zvlášť deformovatelné. Ale současná generace zařízení nemůže pozorovat, rozhodující chvíle, kdy deformace by být největší a zobrazení vnitřní podmínky jasně.

Kamioka Gravitační Vlny Detektor v Hida, Japonsko, se očekává, že přijde on-line později v tomto roce, a Indické Iniciativy v Gravitační vlně Pozorování v blízkosti Aundha Naganath, Marathwada, v roce 2024., V kombinaci s LIGO a Pannou zlepší citlivost a potenciálně dokonce zachytí podrobnosti o okamžicích vedoucích k havárii.

při pohledu dále do budoucnosti by několik plánovaných nástrojů mohlo provést pozorování, která unikají hezčím a současným pozorovatelům gravitačních vln. Čínsko–Evropské satelitní nazývá enhanced X-ray Timing a Polarimetry mise, nebo eXTP, se očekává, že zahájí v roce 2027 a studovat obě izolované a binární neutronové hvězdy, které pomohou určit jejich rovnice stavu., Vědci také navrhl vesmírné mise, které by mohlo létat v roce 2030-tých let tzv. Spektroskopických Čas-Řešení Observatoř pro Širokopásmové Energie, X-paprsky, nebo STROBE-X. To by se používat HEZČÍ hotspot technika, nutit masy a poloměry nejméně 20 více neutronové hvězdy s ještě větší přesností.

srdce neutronových hvězd si pravděpodobně vždy zachová některá tajemství. Fyzici se však nyní zdají být dobře umístěni, aby začali odlupovat vrstvy., Přečtěte si, kdo je členem letního slunovratu tým, říká, že spolupracovala na projektu, aby si představit, jaké vědecké otázky gravitační vlny detektory by měl být schopen řešit v roce 2030-tých let a 2040s. V procesu, uvědomila si, že krajina na neutron-hvězdičkový výzkumu — zejména otázka rovnice stát — by měl vypadat velmi odlišné.

“ byla to tato dlouhodobá hádanka, o které si myslíte, že tam vždy bude,“ říká. „Nyní jsme v bodě,kdy mohu vidět vědeckou komunitu, která v tomto desetiletí zjišťuje hádanku o struktuře neutronů.