The golden age of neutroni tähden fysiikka on saapunut

Kun massiivinen tähti kuolee supernova räjähdys on vain lopun alkua. Suurin osa tähtiaineksesta heitetään kauas ja leveäksi, mutta tähden rautainen sydän jää taakse. Tämä ydin pakkaa yhtä paljon massaa kuin kaksi aurinkoa ja kutistuu nopeasti palloksi, joka ulottuisi Manhattanin pituuteen. Murskaus sisäinen paine — tarpeeksi puristaa Mount Everest koko sokeripala — sulakkeet atomia protonit ja elektronit osaksi neutroneja.

tähtitieteilijät tietävät paljon siitä, miten neutronitähdet syntyvät., Kuitenkin se, mitä tapahtuu jälkeenpäin, näiden erittäin tiheiden ytimien sisällä, on edelleen mysteeri. Jotkut tutkijat arvelevat, että neutronit saattaisivat hallita keskustaa myöten. Toiset epäilemään, että uskomaton paine tiivistää materiaalia eksoottisempia hiukkasia tai todetaan, että litistää ja muuttaa muotoaan epätavallisilla tavoilla.

Nyt, vuosikymmenten jälkeen spekulointia, tutkijat lähestyvät ratkaista arvoitus, osittain kiitos väline, International Space Station nimeltään Neutron Star Sisustus Koostumus Explorer (MUKAVAMPI).,

Viime joulukuussa, tämä NASA space observatory antanut tähtitieteilijät joitakin kaikkein tarkkoja mittauksia koskaan tehty neutronitähden massa ja radius1,2, sekä odottamattomia havaintoja sen magneettinen kenttä1,3. Mukavampi joukkue aikoo julkaista tuloksia useammasta tähdestä lähikuukausina. Muut tiedot tulevat painovoima-aalto observatoriot, joka voi katsella neutroni tähteä vääntää vääräksi, koska ne kaatua yhdessä. Näiden yhdistettyjen havaintojen avulla tutkijat ovat valmiita nollaamaan sen, mikä täyttää neutronitähden sisälmykset.,

monille alalla, nämä tulokset merkitsevät käännekohtaa tutkimuksessa joitakin Universumin kaikkein hämmentävää esineitä. ”Tämä alkaa olla golden age of neutroni tähden fysiikka”, sanoo Jürgen Schaffner-Bielich, teoreettinen fyysikko Goethe University, Frankfurt, Saksa.

Käynnisti vuonna 2017 kyytiin SpaceX Falcon 9 raketti, US$62 miljoonan MUKAVAMPI kaukoputki istuu ulkopuolella tilaa kanava ja kerää X-säteet tulevat pulsareja — spinning neutroni tähdet, jotka säteilevät varautuneita hiukkasia ja energiaa valtavia sarakkeet, jotka lakaista ympäri, kuten palkkien päässä on majakka., X-säteet ovat peräisin miljoonaa asteen kuormittajat pulsari on pinta, jossa on voimakas magneettikenttä repii varautuneita hiukkasia pois päältä ja lyö ne takaisin alas vastapuolen magneettinen napa.

mukavampi havaitsee nämä röntgensäteet 56 kultapäällysteisellä teleskoopilla, ja aikaleimat niiden saapumisesta 100 nanosekunnin tarkkuudella. Tämän kyvyn avulla tutkijat voivat tarkasti seurata hotspots kuin neutronitähti ruoskii noin jopa 1000 kertaa sekunnissa. Hotspotit näkyvät, kun ne heiluvat kohteen yli., Mutta neutroni tähteä taivuttaa aika-avaruutta niin voimakkaasti, että MUKAVAMPI myös havaitsee valon kuormittajat poispäin Maapallon. Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria tarjoaa keinon laskea tähden massa-säde-suhde valon taivutuksen määrän kautta. Tämän ja muiden havaintojen avulla astrofyysikot voivat paikantaa kuolleiden tähtien massoja ja säteitä. Nämä kaksi ominaisuutta voivat auttaa määrittämään, mitä ytimissä tapahtuu.

syvä, tumma mysteeri

neutronitähdet monimutkaistuvat syvemmälle mennään., Alla ohut ilmakehä koostuu pääasiassa vetyä ja heliumia, tähtien jäänteitä ovat ajatellut ylpeillä ulompi kuori vain sentin tai kaksi paksu, joka sisältää atomiytimet ja vapaa-roaming elektroneja. Tutkijat arvelevat, että ionisoituneet alkuaineet pakkautuvat seuraavaan kerrokseen, jolloin sisäkuoreen muodostuu ristikko. Jopa alemmaksi, paine on niin voimakas, että lähes kaikki protonit yhdistyvät elektroneihin muuttua neutroneja, mutta mitä tapahtuu sen jälkeen on hämärää parhaimmillaan (ks. Tiheä matter’).,

”Se on yksi asia tietää ainesosat,” sanoo Jocelyn Lukea, astrofyysikko at California State University, Fullerton. ”On toinen ymmärtää resepti, ja miten nämä ainesosat ovat vuorovaikutuksessa keskenään.”

Fyysikot on jonkinlainen käsitys siitä, mitä tapahtuu, kiitos hiukkaskiihdyttimet Maan päällä., At-ajanviettomahdollisuuksia, kuten Brookhaven National Laboratory vuonna Upton, New York, ja CERNIN Large Hadron Collider lähellä Geneve, Sveitsi, tutkijat ovat kännissä yhdessä raskaat ionit, kuten lyijy ja kulta, luoda lyhyt kokoelmat uskomattoman tiheä materiaali. Mutta nämä kineettiset kokeet tuottavat miljardia euroa – tai jopa biljoonaa asteen vilkkuu, jossa protonit ja neutronit liueta keittoon niiden osatekijän kvarkit ja gluonit. Maanpäällisen välineitä on vaikea luotaa suhteellisen lieviä millions-of-astetta ehtoja sisällä neutroni tähteä.,

on olemassa useita ajatuksia siitä, mitä voisi tapahtua. Voi olla, että kvarkit ja gluonit vaeltavat vapaasti. Tai äärimmäiset energiat voisivat johtaa hyperoneiksi kutsuttujen hiukkasten syntymiseen. Nämä hiukkaset sisältävät neutronien tavoin kolme kvarkkia. Mutta ottaa huomioon, että neutronit sisältävät eniten perus-ja alin-energian kvarkit, joka tunnetaan ylös-ja alas-kvarkkeja, on hyperon on ainakin yksi niistä korvataan eksoottinen ”outoa” quark. Toinen mahdollisuus on, että keskellä on neutronitähti on Bose–Einstein-kondensaatti, valtion asia, jossa kaikki atomia pienemmät hiukkaset toimivat yhden quantum-mekaaninen kokonaisuus., Teoreetikotkin ovat haaveilleet vielä oudommista tulevaisuudennäkymistä.

ratkaisevasti jokainen mahdollisuus työntyisi takaisin ominaisella tavalla neutronitähden kolossaalista painovoimaa vastaan. Ne synnyttäisivät erilaisia sisäisiä paineita ja siten suuremman tai pienemmän säteen tietylle massalle. Neutronitähti on Bose–Einstein-kondensaatti centre, esimerkiksi, on todennäköisesti pienempi säde kuin yksi valmistettu tavallinen materiaali, kuten neutroneja. Sellaisen ytimen, joka on tehty taipuisasta hyperoniaineesta, säde voi olla vielä pienempi.,

”eri hiukkaset ja voimat, niiden välillä vaikuttaa siihen, kuinka pehmeä tai vetelä materiaali on”, sanoo Anna Wattia, MUKAVAMPI tiimin jäsen Yliopistossa Amsterdamissa.

Erottaa mallien välillä edellyttää tarkkoja mittauksia koko ja massa neutroni tähteä, mutta tutkijat eivät ole vielä pystynyt työntämään heidän tekniikoita hyvin-tarpeeksi tasoja sanoa, mikä mahdollisuus on todennäköisesti. Ne arvioivat massoja tyypillisesti tarkkailemalla neutronitähtiä binääripareina., Kuten kiertoradalla esineitä toisiinsa, ne hinaaja painovoimaisesti toisiaan, ja tähtitieteilijät voivat käyttää tätä määrittää niiden massat. Noin 35-tähdet ovat saaneet massat mitataan tällä tavalla, vaikka luvut voivat sisältää virhepalkit jopa auringon massa. Vain kymmenkunta on myös saanut säteensä laskettua, mutta monissa tapauksissa tekniikat eivät voi määrittää tätä arvoa parempiin kuin muutaman kilometrin-jopa viidesosan neutronitähden koosta.,

MUKAVAMPI hotspot menetelmä on ollut käytössä Euroopan avaruusjärjestön XMM-Newton X-ray observatory, joka käynnistettiin vuonna 1999 ja on edelleen toiminnassa. Mukavampi on neljä kertaa herkempi ja sillä on satoja kertoja parempi aikaresoluutio kuin XMM-Newtonilla. Seuraavien kahden kolmen vuoden aikana, joukkue odottaa voi käyttää MUKAVAMPI treenata massat ja säteet toinen puoli tusinaa tavoitteet, panevat alas niiden säteiden puolen kilometrin säteellä., Tämä tarkkuus -, ryhmä on hyvin sijoitettu aloittaa piirtämistä ulos, mikä tunnetaan neutroni tähden yhtälö valtio, joka liittyy massa säde tai vastaavasti, sisäinen paine tiheys.

Jos tutkijat ovat erityisen onnekkaita ja luonto sattuu palvelemaan erityisen hyvää dataa, mukavampi voisi auttaa poistamaan tietyt versiot tästä yhtälöstä. Mutta useimmat fyysikot sitä mieltä, että oma observatorio luultavasti rajata eikä sulje kokonaan pois malleja, mitä tapahtuu salaperäinen esineitä’ ydintä.,

”Tämä olisi silti valtava edistysaskel, missä olemme nyt”, sanoo Watts.

– Kenttään rivit

MUKAVAMPI on ensimmäinen tavoite oli J0030+0451, eristetty pulsari, joka pyörii noin 200 kertaa sekunnissa ja on 337 parsekin (1,100 valovuoden) päässä Maasta vuonna tähdistössä Kalat.

Kahteen ryhmään — yksi perustuu ensisijaisesti Yliopiston Amsterdam1 ja toinen johti tutkijat University of Maryland-College Park2 — erikseen seulotaan läpi 850 tuntia havaintoja, toimii tarkastuksia toisiaan.,

Koska hotspot valo käyrät ovat niin monimutkaisia, ryhmien tarvitaan supertietokoneita mallin eri kokoonpanoissa ja selvittää, mitkä niistä parhaiten sopivat tiedot. Mutta molemmat tuli ylös kanssa samanlaisia tuloksia, todetaan, että J0030 on massa, joka on 1,3 tai 1,4 kertaa Auringon säde on noin 13 kilometriä.,

Nämä tulokset eivät ole lopullisia: he voisivat käyttää tuen joko maallista tai otherworldly ennusteita siitä, mitä on sisällä sisua neutroni tähteä. ”Ei ole vaatimus mitään funky, hullu tai eksoottisia vielä”, sanoo Andrew Steiner, ydinvoima astrofyysikko University of Tennessee, Knoxville.

Tutkijat saivat isompi yllätys havainnot siitä, muoto ja sijainti kuormittajat., Kanoninen tarkastella neutroni tähteä on niiden magneettikentän linjat näköinen kuin niitä ympäröivä baari magneetti, jossa on pohjois-ja etelä puolin nousemassa pyöreä spots vastakkaisissa päissä star. Sen sijaan, alankomaiden supertietokone simulaatioita ymmärtää, että molemmat J0030 on kuormittajat ovat sen eteläisellä pallonpuoliskolla, ja että yksi heistä on pitkä ja puolikuun shaped1. Maryland joukkue myös tuli mahdollisuus kolmen hotspot ratkaisu: kaksi eteläisintä soikea-muotoisia ja viimeinen ympyrä lähellä rotaatio etelä-pole3.,

”Se näyttää siltä, että ne on tehty ensimmäinen todellinen havaitseminen pulsar jos palkit eivät ole 180 astetta erotettu”, sanoo Natalie Webb, astrofyysikko Institute for Research in Astrophysics ja Planetology Toulouse, Ranska, joka on mallinnettu tällaisia mahdollisuuksia. ”Se on fantastista, jos totta.”

tulokset tukisivat aiempia havaintoja ja teorioita, joiden mukaan neutronitähtien magneettikentät, jotka ovat biljoona kertaa voimakkaampia kuin Auringon, voivat olla monimutkaisempia kuin yleensä oletetaan., Ensimmäisen muotonsa jälkeen pulsarien arvellaan hidastavan pyörimistään miljoonien vuosien ajan. Mutta jos heillä on kumppani tähti kiertävät heidän ympärillään, he voivat varastaa materiaali ja kulmikas vauhtia tämän kumppani, lisäämällä heidän spinning superfast nopeuksilla. Koska asia saa talletettu tähti ulkoa, jotkut teoreetikot viittaavat siihen, että se voisi vaikuttaa neste-kuin kerros pinnan neutroneja, tuottaa valtavat pyörteet, jotka kiertää neutronitähden magneettikentän osaksi outoa järjestelyt., Kumppani saattaa lopulta olla kulutetaan tai menettää niin paljon massaa, että se tulee painovoimaisesti sitoutumattoman ja lentää pois, kuin olisi ollut asian kanssa nyt-yksinäinen J0030.

Työt

MUKAVAMPI jatkaa tarkkailla J0030 parantaa tarkkuutta sen säde mittaukset. Samalla, joukkue alkaa analysoida tietoja toinen tavoite, hieman raskaampaa pulsar valkoisen kääpiön seuralainen., Muut tähtitieteilijät ovat käyttäneet havaintoja tässä pari kiertoradan tanssia määrittää pulsar on massa, joka tarkoittaa MUKAVAMPI tutkijat ovat riippumaton mittaus, että he voivat käyttää vahvistamaan niiden tulokset.

Joukossa MUKAVAMPAA tavoitteet, joukkue aikoo sisällyttää ainakin pari korkea-massa pulsareja, mukaan lukien nykyinen ennätys-haltija massiivisin neutronitähti — behemoth, joiden massa on 2.14 kertaa suurempi kuin Aurinko. Sen avulla tutkijat voivat luotata ylärajan: pisteen, jossa neutronitähti luhistuu mustaan aukkoon. Jopa 2,14-Auringon massainen kappale on teoreetikoille haastavaa selittää. Useat tutkijat ovat myös ehdottaneet, että MUKAVAMPAA saattaa olla mahdollista löytää kaksi neutroni tähteä on sama massa mutta eri säteet., Tämä viittaisi siirtymäpisteen läsnäoloon, jossa pienet erot luovat kaksi erillistä ydintä. Toinen saattaa sisältää esimerkiksi enimmäkseen neutroneja ja toinen saattaa koostua eksoottisemmasta materiaalista.

vaikka mukavampi on etujoukoissa, se ei ole ainoa instrumentti LVI pulsarien syvyyksissä. Vuonna 2017, YHDYSVALTAIN Laser-Interferometri Gravitational-Wave Observatory (LIGO), yhdessä Neitsyt ilmaisin Italiassa, piristyi signaalin kaksi neutroni tähteä kaatuu ja yhdistämällä together4., Kuten esineitä kiertää yksi toinen ennen kaatua, ne päästöt gravitaatioaaltoja, joka sisälsi tietoa tähtien koosta ja rakenteesta. Jokainen tähti on valtava painovoima vaikuttaa nykäisi ja epämuodostunut sen kumppani, contorting sekä kuulat osaksi pisaran muotoisia. Määrä vääristymä ne viimeiset hetket antaa fyysikot vihjeitä muokattavuus materiaalin sisällä neutroni tähteä.

LIGO: n laitos Livingston, Louisiana, piristyi toinen neutroni tähden smash-up viime huhtikuussa, ja enemmän tapahtumia voisi olla täplikäs milloin tahansa., Toistaiseksi nämä kaksi fuusiota ovat vain vihjanneet neutronitähtien sisätilojen ominaisuuksista, mikä viittaa siihen, etteivät ne ole erityisen epämuodostuvia. Mutta nykyisen sukupolven palveluita voi tarkkailla ratkaiseva lopullinen hetkiä, kun vääntymisen olisi suurin ja näyttää sisäinen ehtoja selvimmin.

Kamioka Gravitaatio Aalto Ilmaisin Hida, Japani, odotetaan tulevan verkossa myöhemmin tänä vuonna, ja Intian Aloitteen Painovoima-aalto Havaintoja lähellä Aundha Naganath, Marathwada, vuonna 2024., Yhdessä LIGO ja Virgo, ne parantavat herkkyyttä, mahdollisesti jopa kaappaaminen yksityiskohtia ja hetkiä, jotka johtivat kaatuu.

Katse pidemmälle tulevaisuuteen, useita suunnitellut instrumentit voivat tehdä havaintoja, jotka väistää MUKAVAMPAA ja nykyinen painovoima-aalto observatoriot. Kiinalainen–Euroopan satelliitti-kutsutaan enhanced X-ray Ajoitus ja Polarimetry tehtävä, tai eXTP, odotetaan käynnistää vuonna 2027 ja tutkimus sekä eristetty ja binary neutroni tähteä auttaa määrittämään niiden yhtälö valtion., Tutkijat ovat myös ehdottaneet tilaa-pohjainen missio, joka voisi lentää 2030-luvulla nimeltään Spektroskooppista Aika-Ratkaista Observatory Laajakaista-Energy X-ray, tai STROBE-X. Se olisi MUKAVAMPI käyttää hotspot tekniikka, panevat alas massat ja säteet vähintään 20 enemmän neutroni tähteä vieläkin tarkemmin.

neutronitähtien sydämet todennäköisesti säilyttävät aina joitakin salaisuuksia. Mutta fyysikoilla on nyt hyvät edellytykset alkaa kuoria kerroksia takaisin., Lue, kuka on jäsen LIGO joukkue, kertoo, että hän on tehnyt yhteistyötä projektin kuvitella, mitä tieteellisiä kysymyksiä painovoima-aalto ilmaisimet pystyy vastaamaan 2030-luvulla ja 2040s. Tässä prosessissa, hän tajusi, että maisema neutroni tähden tutkimusta — erityisesti kysymys yhtälö valtion pitäisi näyttää hyvin erilaiselta silloin.

”Se on ollut pitkäaikainen palapeli, että sinun kuva tulee aina olemaan siellä”, hän sanoo. ”Nyt näemme tiedeyhteisön selvittävän neutronitähtirakennepalapelin tällä vuosikymmenellä.