Neutronstjernefysikens guldalder er ankommet

Når en massiv stjerne dør i en supernova, er eksplosionen kun begyndelsen på slutningen. Det meste af stjernematerialet kastes vidt og bredt, men stjernens jernfyldte hjerte forbliver bagud. Denne kerne pakker så meget masse som to Sole og krymper hurtigt til en kugle, der ville spænde over længden af Manhattan. Knusning indre tryk-nok til at presse Mount Everest til størrelsen af en sukkerterning-sikringer subatomære protoner og elektroner i neutroner.

astronomer ved så meget om, hvordan neutronstjerner fødes., Men præcis hvad der sker bagefter, inde i disse ultra-tætte kerner, forbliver et mysterium. Nogle forskere teoretisere, at neutroner kan dominere hele vejen ned til centrum. Andre antager, at det utrolige tryk komprimerer materialet til mere eksotiske partikler eller stater, der klemmer og deformeres på usædvanlige måder.

nu, efter årtiers spekulation, kommer forskere tættere på at løse gåden, delvis takket være et instrument på Den Internationale Rumstation kaldet neutronstjernen Interior Composition e .plorer (NICER).,

sidste December gav dette NASA-rumobservatorium astronomer nogle af de mest præcise målinger, der nogensinde er foretaget af en neutronstjernes masse og radius1, 2, samt uventede fund om dets magnetfelt1, 3. NICER-holdet planlægger at frigive resultater om flere stjerner i de næste par måneder. Andre data kommer ind fra gravitationsbølgeobservatorier, som kan se neutronstjerner forvrænge, når de styrter sammen. Med disse kombinerede observationer, forskere er klar til nul ind på, hvad der fylder indersiden af en neutronstjerne.,

for mange i marken markerer disse resultater et vendepunkt i studiet af nogle af universets mest forvirrende objekter. “Dette begynder at blive en guldalder for neutronstjernefysik,” siger J .rgen Schaffner-Bielich, en teoretisk fysiker ved Goethe University i Frankfurt, Tyskland.

lanceret i 2017 ombord på en Space.Falcon 9-raket, sidder det 62 millioner dollars pænere teleskop uden for rumstationen og samler røntgenstråler fra pulsarer-spindende neutronstjerner, der udstråler ladede partikler og energi i enorme søjler, der fejer rundt som bjælker fra et fyrtårn., Røntgenstrålerne stammer fra millioner-graders hotspots på en pulsars overflade, hvor et kraftigt magnetfelt Ripper ladede partikler udvendigt og smækker dem ned igen ved den modsatte magnetiske pol.NICER registrerer disse røntgenstråler ved hjælp af 56 guldbelagte teleskoper, og tidsstempler deres ankomst til inden for 100 nanosekunder. Med denne kapacitet kan forskere præcist spore hotspots, når en neutronstjerne pisker rundt med op til 1.000 gange i sekundet. Hotspots er synlige, når de svinger hen over objektet., Men neutronstjerner fordrejer rumtiden så stærkt, at NICER også registrerer lys fra hotspots, der vender væk fra jorden. Einsteins generelle relativitetsteori giver en måde at beregne en stjernes masse-til-radius-forhold gennem mængden af lysbøjning. Det og andre observationer gør det muligt for astrofysikere at fastlægge masserne og radierne fra de afdøde stjerner. Disse to egenskaber kunne hjælpe med at bestemme, hvad der sker nede i kernerne.

dybt, mørkt mysterium

neutronstjerner bliver mere komplicerede, jo dybere man går., Under en tynd atmosfære, der hovedsagelig er lavet af brint og helium, menes de stellare rester at prale af en ydre skorpe, kun en centimeter eller to tykke, der indeholder atomkerner og fri roaming elektroner. Forskere mener, at de ioniserede elementer bliver pakket sammen i det næste lag, hvilket skaber et gitter i den indre skorpe. Endnu længere nede er trykket så intens, at næsten alle protoner kombineres med elektroner for at blive til neutroner, men hvad der sker ud over det er i bedste fald grumset (se ‘tæt stof’).,

“Det er én ting at vide, at de ingredienser,” siger Jocelyn Læse, en astrofysiker ved California State University, Fullerton. “Det er en anden at forstå opskriften, og hvordan disse ingredienser vil interagere med hinanden.”

fysikere har en ID.om, hvad der sker takket være partikelacceleratorer på jorden., For de faciliteter, som Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, og CERN ‘ s Large Hadron Collider nær Geneve, Schweiz, forskere har smadret sammen af tunge ioner, som dem af bly og guld, for at skabe korte samlinger af monumentalt tæt materiale. Men disse kinetiske eksperimenter genererer milliarder-eller endda billioner-graders blink, hvor protoner og neutroner opløses i en suppe af deres bestanddele kvarker og gluoner. Terrestriske instrumenter har svært ved at undersøge de relativt milde millioner grader betingelser inde neutronstjerner.,

Der er flere ideer om, hvad der kan forekomme. Det kunne være, at kvarker og gluoner strejfer frit. Eller de ekstreme energier kan føre til oprettelse af partikler kaldet hyperoner. Ligesom neutroner indeholder disse partikler tre kvarker. Men mens neutroner indeholder de mest basale og laveste energikvarker, kendt som op og ned kvarker, har en hyperon mindst en af dem erstattet med en eksotisk ‘mærkelig’ kvark. En anden mulighed er, at centrum for en neutronstjerne er et Bose–Einstein-kondensat, en tilstand af stof, hvor alle subatomære partikler fungerer som en enkelt kvantemekanisk enhed., Og teoretikere har udtænkt endnu mere aparte udsigter, også.

afgørende ville hver mulighed Skubbe tilbage på en karakteristisk måde mod en neutronstjernes kolossale tyngdekraft. De ville generere forskellige indre tryk og derfor en større eller mindre radius for en given masse. En neutronstjerne med et Bose-Einstein-kondensatcenter har for eksempel sandsynligvis en mindre radius end en, der er fremstillet af almindeligt materiale, såsom neutroner. En med en kerne lavet af bøjelig hyperon stof kunne have en mindre radius stadig.,

“partikeltyperne og kræfterne mellem dem påvirker, hvor blødt eller S .uashy materialet er,” siger Anna .atts, et pænere teammedlem ved University of Amsterdam.

differentiering mellem modellerne vil kræve præcise målinger af neutronstjernernes størrelse og masse, men forskere har endnu ikke været i stand til at skubbe deres teknikker til fine nok niveauer til at sige, hvilken mulighed der mest sandsynligt er. De estimerer typisk masser ved at observere neutronstjerner i binære par., Når objekterne kredser om hinanden, trækker de gravitationelt på hinanden, og astronomer kan bruge dette til at bestemme deres masser. Omkring 35 stjerner har fået målt deres masse på denne måde, selvom tallene kan indeholde fejlbjælker på op til en solmasse. Et dusin eller deromkring har også fået beregnet deres radier, men i mange tilfælde, teknikkerne kan ikke bestemme denne værdi til bedre end et par kilometer — så meget som en femtedel af størrelsen på en neutronstjerne.,NICERS hotspot-metode er blevet brugt af Det Europæiske Rumagenturs XMM-ne .ton Røntgenobservatorium, der blev lanceret i 1999 og stadig er i drift. NICER er fire gange mere følsom og har hundredvis af gange bedre tid opløsning end XMM-ne .ton. I løbet af de næste to til tre år forventer holdet at kunne bruge NICER til at udarbejde masserne og radierne af yderligere et halvt dusin mål og fastgøre deres radier inden for en halv kilometer., Med denne præcision, vil gruppen være godt placeret til at begynde plotte ud af, hvad der er kendt som neutron-stjerne ligning af tilstand, som relaterer masse til radius eller tilsvarende, indre tryk til tæthed.

Hvis forskere er særlig heldige, og naturen tilfældigvis tjener specielt gode data, kan NICER hjælpe med at eliminere visse versioner af denne ligning. Men de fleste fysikere mener, at observatoriet i sig selv sandsynligvis vil indsnævre snarere end helt udelukke modeller for, hvad der sker i de mystiske objekts kerner.,

“Dette ville stadig være et stort fremskridt, hvor vi er nu,” siger .atts.

feltlinier

PÆNERE ‘ s første mål blev J0030+0451, en isoleret pulsar, der drejer omkring 200 gange i sekundet, og er 337 parsec (1,100 lysår fra Jorden i stjernebilledet Fiskene.

To grupper — én, der primært bygger på University of Amsterdam1, og en anden ledet af forskere ved University of Maryland i College Park2 — separat sigtes gennem 850 timers observationer, der tjener som kontrol over en anden.,

Fordi hotspot lyskurver er så komplekse, at de grupper er nødvendige for supercomputere til model forskellige konfigurationer, og arbejde ud af, hvilke der bedst passer til data. Men begge kom med lignende resultater og fandt ud af, at J0030 har en masse, der er 1,3 eller 1,4 gange Solens og en radius på omkring 13 kilometer.,

disse resultater er ikke definitive: de kunne bruges til at understøtte enten de verdslige eller de andre verdens forudsigelser for, hvad der er inde i neutronstjernernes tarm. “Der er ikke noget krav til noget funky eller vanvittigt eller eksotisk endnu,” siger andre.Steiner, en nuklear astrofysiker ved University of Tennessee, kno .ville.

forskere fik en større overraskelse med fund om formen og placeringen af hotspots., Det kanoniske syn på neutronstjerner har deres magnetfeltlinjer, der ligner dem, der omgiver en stangmagnet, med Nord-og sydsider, der kommer ud fra cirkulære pletter i modstående ender af stjernen. I modsætning hertil antydede de hollandske supercomputersimuleringer, at begge J0030s hotspots er på den sydlige halvkugle, og at en af dem er lang og halvmåneformet1. Maryland-teamet kom også med muligheden for en tre-hotspot-løsning: to sydlige ovale formede og en sidste cirkel nær den roterende sydpole3.,

“Det ser ud som om de kunne have gjort det første reelle konstatering af en pulsar, hvor bjælkerne er ikke 180 grader adskilt,” siger Natalie Webb, en astrofysiker ved Institut for Forskning i geo-og Astrofysikken og Planetology i Toulouse, Frankrig, der har inspireret sådanne muligheder. “Det er fantastisk, hvis det er sandt.”

resultaterne vil styrke tidligere observationer og teorier, der tyder på, at neutronstjerners magnetfelter, som er en billioner gange stærkere end Solens, kan være mere komplekse end generelt antaget., Efter de første form, pulsarer menes at bremse deres rotation over millioner af år. Men hvis de har en ledsagerstjerne, der kredser rundt om dem, de stjæler muligvis materiale og vinkelmoment fra denne partner, hvilket øger deres spinding til superhurtige hastigheder. Efterhånden som sagen bliver deponeret på stjernens ydre, foreslår nogle teoretikere, at det kan påvirke et væskelignende lag af underjordiske neutroner, der genererer gigantiske hvirvler, der vrider neutronstjernens magnetfelt til ulige arrangementer., Ledsageren kan i sidste ende forbruges eller miste så meget masse, at den bliver gravitationelt ubundet og flyver væk, som det kunne have været tilfældet med den nu ensomme J0030.

igangværende arbejde

NICER fortsætter med at observere J0030 for yderligere at forbedre præcisionen af dens radiusmålinger. Samtidig begynder teamet at analysere data fra et andet mål, en lidt tungere pulsar med en hvid-dværg følgesvend., Andre astronomer har brugt observationer af dette par ‘s orbital dans til at bestemme pulsar’ s masse, hvilket betyder, at PÆNERE forskere har en uafhængig måling, som de kan bruge til at validere deres resultater.

Blandt PÆNERE ‘ s mål, holdet har planer om at angive mindst et par af høj-masse, pulsarer, herunder den nuværende rekordindehaver for tungeste neutronstjerne — et monstrum med en masse 2.14 gange Solens. Det skulle give forskerne mulighed for at undersøge en øvre grænse: det punkt, hvor en neutronstjerne kollapser i et sort hul. Selv 2.14-sol-masse objekt er udfordrende for teoretikere at forklare. Flere forskere har også foreslået, at NICER måske kunne finde to neutronstjerner med samme masse, men forskellige radier., Det antyder tilstedeværelsen af et overgangspunkt, hvor små forskelle skaber to forskellige kerner. Den ene kan for det meste indeholde neutroner, for eksempel, og den anden kan være sammensat af mere eksotisk materiale.

selvom pænere er på forkant, det er ikke det eneste instrument VVS pulsarer dybder. I 2017 hentede det amerikanske Laser Interferometer Gravitational-Waveave Observatory (LIGO) sammen med Jomfruedetektoren i Italien signalet fra to neutronstjerner, der styrtede sammen og fusionerede sammen4., Da objekterne drejede rundt om hinanden før styrtet, udsendte de gravitationsbølger, der indeholdt information om stjernernes størrelse og struktur. Hver stjernes kolossale gravitationelle indflydelse trak på og deformerede sin partner, forvrængning både fra kugler til dråbeformede former. Mængden af forvrængning i disse sidste øjeblikke giver fysikere ledetråde om formbarheden af materialet inde i neutronstjernerne.ligos anlæg i Livingston, Louisiana, hentede en anden neutronstjerne-smash-up i April sidste år, og flere begivenheder kunne ses når som helst., Indtil videre har de to fusioner kun antydet egenskaberne ved neutronstjerneinteriører, hvilket antyder, at de ikke er særlig deformerbare. Men den nuværende generation af faciliteter kan ikke observere de afgørende sidste øjeblikke, hvor vridningen ville være størst og ville vise interne forhold tydeligst.

Kamioka Gravitationel Bølge Detektor i hida-skintigrafi, Japan, forventes at komme online senere i år, og det Indiske Initiativ i Gravitational-wave Observationer nær Aundha Naganath, Marathwada, i 2024., I kombination med LIGO og Virgo vil de forbedre følsomheden og potentielt endda fange detaljerne i de øjeblikke, der fører op til et nedbrud.

Når man ser nærmere på fremtiden, kunne flere planlagte instrumenter gøre observationer, der undgår pænere og aktuelle gravitationsbølgeobservatorier. En Kinesisk–Europæiske satellit kaldet enhanced X-ray Timing og Polarimetry mission, eller eXTP, forventes at starte i 2027 og studere både isoleret og binære neutronstjerner til at hjælpe med at bestemme deres ligning af staten., Forskere har også foreslået en plads-baseret mission, der kunne flyve i 2030’erne kaldet Spektroskopiske Tid-Løse Observatorium for Bredbånds-Energi X-stråler eller STROBE-X. Det ville brug PÆNERE ‘ s hotspot teknik, indkredse masser og radier af mindst 20 mere neutronstjerner med endnu mere præcision.

neutronstjernernes hjerter vil sandsynligvis altid bevare nogle hemmeligheder. Men fysikere synes nu godt placeret til at begynde at skrælle lagene tilbage., Læs, hvem der er medlem af den LIGO holdet, siger, at hun har samarbejdet om et projekt til at forestille sig, hvad den videnskabelige spørgsmål gravitational-wave detektorer ville være i stand til at tackle i 2030’erne og 2040’erne. I den proces, hun indså, at landskabet for neutron-stjerne forskning — især spørgsmålet om ligningen af staten — bør se meget anderledes ud dengang.

“det har været dette langvarige puslespil, som du regner med altid vil være der,” siger hun. “Nu er vi på et punkt, hvor jeg kan se det videnskabelige samfund finde ud af neutron-stjerne-struktur puslespil inden for dette årti.