A neutroncsillag-fizika aranykora megérkezett

amikor egy hatalmas csillag meghal egy szupernóvában, a robbanás csak a vég kezdete. A csillagok nagy részét messze és szélesre dobják, de a csillag vassal töltött szíve mögött marad. Ez a mag akkora tömegű, mint két nap, és gyorsan összezsugorodik egy olyan gömbre, amely Manhattan hosszúságát öleli fel. A belső nyomás összezúzása-elég ahhoz, hogy a Mount Everestet a cukorkocka méretéhez szorítsa — szubatomi protonokat és elektronokat biztosít neutronokba.

A csillagászok sokat tudnak arról, hogyan születnek neutroncsillagok., Mégis, hogy pontosan mi történik utána, ezekben az ultra-sűrű magokban, továbbra is rejtély marad. Egyes kutatók azt feltételezik, hogy a neutronok egészen a központig dominálhatnak. Mások azt feltételezik, hogy a hihetetlen nyomás az anyagot egzotikusabb részecskékké tömöríti, vagy azt állítja, hogy szokatlan módon deformálódik.

most, több évtizedes spekuláció után, a kutatók egyre közelebb kerülnek az enigma megoldásához, részben a Nemzetközi Űrállomás egyik eszközének köszönhetően, a Neutron Star interior Composition Explorer (szebb) néven.,

Tavaly decemberben, ez a NASA space observatory feltéve, hogy a csillagászok néhány, a pontos mérések valaha készült egy neutroncsillag tömege pedig sugár1,2, valamint a váratlan megállapítások a mágneses field1,3. A szebb csapat azt tervezi, hogy a következő néhány hónapban több csillagról ad ki eredményeket. Más adatok érkeznek a gravitációs hullámú obszervatóriumokból,amelyek képesek nézni a neutroncsillagok összehúzódását, amikor együtt ütköznek. Ezekkel a kombinált megfigyelésekkel a kutatók nullára állnak azon, ami kitölti a neutroncsillag belsejét.,

sok területen ezek az eredmények fordulópontot jelentenek az univerzum legzavaróbb tárgyainak tanulmányozásában. “Ez a neutroncsillag-fizika aranykora” – mondja Jürgen Schaffner-Bielich, a németországi frankfurti Goethe Egyetem elméleti fizikusa.

a 2017-ben egy SpaceX Falcon 9 rakéta fedélzetén indított US$62-millió szebb teleszkóp az űrállomás előtt ül, és pulzárokból érkező röntgensugarakat gyűjt össze — forgó neutroncsillagok, amelyek töltött részecskéket és energiát sugároznak hatalmas oszlopokban, amelyek egy világítótorony gerendáihoz hasonlóan söpörnek., Az X-sugarak származnak millió fokos hotspotok egy pulzár felület, ahol erős mágneses mező rip töltött részecskék le, a külső-csapja vissza őket az ellentétes mágneses pólus.

56 aranybevonatú teleszkóp segítségével észlelik ezeket a röntgensugarakat,és 100 nanoszekundumon belül észlelik érkezésüket. Ezzel a képességgel a kutatók pontosan nyomon követhetik a hotspotokat, mint egy neutroncsillag, amely másodpercenként akár 1000-szer is forog. Hotspotok láthatók, ahogy swing át az objektumot., A neutroncsillagok azonban olyan erősen hajlítják a téridőt, hogy a szebb fényt is érzékel a földtől távol eső hotspotokból. Einstein általános relativitáselmélete lehetővé teszi a csillag tömeg-sugár arányának kiszámítását a fényhajlítás mennyiségén keresztül. Ez és más megfigyelések lehetővé teszik az asztrofizikusok számára, hogy az elhunyt csillagok tömegeit és sugárait rögzítsék. Ez a két tulajdonság segíthet meghatározni, hogy mi történik a magokban.

mély, sötét rejtély

a neutroncsillagok bonyolultabbá válnak, minél mélyebb., A többnyire hidrogénből és héliumból készült vékony atmoszféra alatt a csillagmaradványok egy-két centiméter vastag külső kéreggel büszkélkedhetnek, amely atommagokat és szabadon barangoló elektronokat tartalmaz. A kutatók úgy vélik, hogy az ionizált elemek a következő rétegbe tömörülnek, ami rácsot hoz létre a belső kéregben. Még lejjebb, a nyomás annyira intenzív, hogy szinte az összes proton kombinálódik az elektronokkal, hogy neutronokká alakuljon, de ami ezen túl történik, a legjobb esetben homályos (lásd “Sűrű anyag”).,

” egy dolog tudni az összetevőket ” – mondja Jocelyn Read, a Kaliforniai Állami Egyetem asztrofizikusa, Fullerton. “Ez egy másik, hogy megértsük a receptet, hogy ezek az összetevők hogyan fognak kölcsönhatásba lépni egymással.”

a fizikusoknak van néhány elképzelésük arról, hogy mi történik, a földi részecskegyorsítóknak köszönhetően., Olyan létesítményekben, mint a Brookhaven Nemzeti Laboratórium Uptonban, New York, és a CERN nagy Hadronütköztetője a svájci Genf közelében, a kutatók nehéz ionokat, például ólom-és aranyionokat zúztak össze, hogy monumentálisan sűrű anyagból rövid gyűjteményeket hozzanak létre. De ezek a kinetikus kísérletek milliárd – vagy akár billió-fokú villanásokat generálnak, amelyekben a protonok és neutronok az alkotó kvarkok és gluonok levesévé oldódnak. A földi műszerek nehezen vizsgálják meg a viszonylag enyhe, több millió fokos körülményeket a neutroncsillagok belsejében.,

több elképzelés van arról, hogy mi fordulhat elő. Lehet, hogy kvarkok és gluonok szabadon barangolnak. Vagy a szélsőséges energiák hiperonoknak nevezett részecskék létrehozásához vezethetnek. A neutronokhoz hasonlóan ezek a részecskék három kvarkot tartalmaznak. De míg a neutronok tartalmazzák a legalapvetőbb és a legalacsonyabb energiájú kvarkokat, az úgynevezett fel-le kvarkokat, a hiperonnak legalább egy ilyen helyébe egy egzotikus “furcsa” kvark lép. Egy másik lehetőség az, hogy egy neutroncsillag középpontja egy Bose–Einstein kondenzátum, olyan anyagállapot, amelyben az összes szubatomi részecskék egyetlen kvantummechanikai entitásként működnek., A teoretikusok pedig még több kilátásról álmodtak.

minden lehetőség jellegzetes módon tolódna vissza a neutroncsillag kolosszális gravitációja ellen. Különböző belső nyomást generálnának, ezért egy adott tömeghez nagyobb vagy kisebb sugarat generálnának. Például egy Bose–Einstein kondenzációs központú neutroncsillagnak valószínűleg kisebb sugara van, mint a szokásos anyagból, például neutronokból. Az egyiknek Hajlékony hiperon anyagból készült magja még kisebb sugara lehet.,

“a részecskék típusai és a közöttük lévő erők befolyásolják, hogy milyen puha vagy piszkos az anyag” – mondja Anna Watts, az Amszterdami Egyetem szebb csapattagja.

Differenciáló között a modelleket igényel pontos méréseket a mérete, tömege, neutron csillagok, de a kutatók még nem tudták, hogy nyomd meg a technikákat, hogy jó-elég szinten, hogy melyik lehetőség a legvalószínűbb. A tömegeket általában úgy becsülik meg, hogy neutroncsillagokat bináris párokban megfigyelnek., Ahogy az objektumok egymás körül keringenek, gravitációsan egymásra húzódnak, és a csillagászok ezt felhasználhatják tömegük meghatározására. Nagyjából 35 csillag tömegét így mérték, bár a számok legfeljebb egy naptömeg hibasávokat tartalmazhatnak. Nagyjából egy tucatnyian is kiszámították a sugárzásukat, de sok esetben a technikák nem tudják ezt az értéket néhány kilométernél jobban meghatározni — akár egyötöde is egy neutroncsillag méretének.,

Az Európai Űrügynökség 1999-ben indított és még üzemelő XMM-Newton röntgen Obszervatóriuma alkalmazta a hotspot módszerét. A szebb négyszer érzékenyebb, több százszor jobb időfelbontással rendelkezik, mint az XMM-Newton. A következő két-három évben a csapat arra számít, hogy további fél tucat célpont tömegeit és sugárait is képes lesz majd használni, így akár fél kilométeren belül is képes lesz elérni a sugárzást., Ez a precizitás, a csoport jól elhelyezett kezdődik tervez ki, amit ismert, mint a neutron-csillagos egyenlet az állam, amely kapcsolódik tömeg-sugár vagy, egyformán, belső nyomás, sűrűség.

Ha a tudósok különösen szerencsések, és a természet történetesen különösen jó adatokat szolgáltat fel, a szebb segíthet kiküszöbölni ennek az egyenletnek bizonyos verzióit. De a legtöbb fizikus úgy gondolja, hogy önmagában az obszervatórium valószínűleg szűkülni fog, ahelyett, hogy teljesen kizárná a modelleket arról, hogy mi történik a titokzatos tárgyak magjában.,

“Ez továbbra is hatalmas előrelépés lenne abban, ahol most vagyunk” – mondja Watts.

Mezővonalak

az első célpont a j0030 + 0451 volt, egy elszigetelt pulzár, amely másodpercenként nagyjából 200-szor forog, és 337 parszek (1100 fényév) a földről, a halak csillagképben.

két csoport-az egyik elsősorban az Amsterdami Egyetemen alapult1, a másik pedig a Marylandi Egyetem kutatói által vezetett College Park2-külön-külön 850 órás megfigyeléseken keresztül, egymás ellenőrzéseként.,

Mert a hotspot fény görbék olyan összetett, a csoportok szükséges szuperszámítógépet, hogy a modell különböző konfigurációk, valamint a munka meg, hogy melyik a legjobb illeszkedést az adatokat. De mindkettő hasonló eredményeket hozott, megállapítva, hogy a J0030 tömege 1, 3 vagy 1, 4-szerese a napnak, sugara pedig nagyjából 13 kilométer.,

Ezek az eredmények nem véglegesek:felhasználhatók akár a hétköznapi, akár a túlvilági előrejelzések támogatására a neutroncsillagok belsejében. “Még nincs követelmény semmi funky, őrült vagy egzotikus” – mondja Andrew Steiner, a Knoxville-i Tennessee Egyetem Nukleáris asztrofizikusa.

A kutatók nagyobb meglepetést kaptak a hotspotok alakjával és helyzetével kapcsolatos megállapításokkal., A neutroncsillagok kanonikus nézetében a mágneses mező vonalai úgy néznek ki, mint a rúdmágnes körül, északi és déli oldalai a csillag ellentétes végein lévő kör alakú foltokból származnak. Ezzel szemben a holland szuperszámítógép-szimulációk arra utaltak, hogy a j0030 mindkét hotspotja a déli féltekén található, és az egyik hosszú és félhold alakú.1 A Marylandi csapat is előállt egy hárompontos megoldás lehetőségével: két déli ovális alakú és egy utolsó kör a rotációs déli pole3 közelében.,

“úgy tűnik, hogy ők tették az első igazi felismerését egy pulzárnak, ahol a gerendák nem 180 fokkal vannak elválasztva” – mondja Natalie Webb, az asztrofizikai és Planetológiai Intézet asztrofizikusa a franciaországi Toulouse-ban, aki ilyen lehetőségeket modellezett. “Fantasztikus, ha igaz.”

Az eredmények alátámasztanák a korábbi megfigyeléseket és elméleteket, amelyek arra utalnak, hogy a neutroncsillagok mágneses mezői, amelyek billiószor erősebbek, mint a Napé, összetettebbek lehetnek, mint általában feltételezték., Miután először alakulnak ki, úgy gondolják, hogy a pulzárok több millió év alatt lassítják forgásukat. De ha egy társcsillag kering körülöttük, lehet, hogy Anyag-és szöglöketet lopnak el ettől a partnertől, ami szupergyors sebességre növeli a forgást. Mivel a téma kerül letétbe a csillag külső, egyes teoretikusok azt sugallják, hogy ez befolyásolja, hogy egy folyadék-szerű réteg felszín alatti neutronok, amelyek hatalmas örvények, hogy a csavar a neutroncsillag mágneses mező a különös intézkedéseket., A társ végül lehet fogyasztani, vagy elveszíti annyi tömeg, hogy válik gravitációsan kötetlen és elrepül, mint lehetett volna a helyzet a most magányos J0030.

folyamatban lévő munka

a szebb továbbra is figyeli a J0030-At, hogy tovább javítsa sugárméréseinek pontosságát. Ugyanakkor a csapat elkezdi elemezni az adatokat egy második célról, egy kissé nehezebb pulzárról, fehér törpe társával., Más csillagászok ennek a párnak az orbitális táncának megfigyeléseit használták a pulsar tömegének meghatározására, ami azt jelenti, hogy a szebb kutatók független méréssel rendelkeznek, amelyet felhasználhatnak megállapításaik érvényesítésére.

a szebb célpontok között a csapat azt tervezi, hogy legalább néhány nagy tömegű pulzárt tartalmaz, beleértve a legtöbb masszív neutroncsillag jelenlegi rekordtartóját-egy behemótot, amelynek tömege 2, 14-szerese a napnak. Ennek lehetővé kell tennie a kutatók számára, hogy megvizsgálják a felső határt: az a pont, ahol egy neutroncsillag összeomlik egy fekete lyukba. Még a 2.14-es naptömegű objektum is kihívást jelent a teoretikusok számára. Több kutató azt is felvetette, hogy lehet, hogy a szebb két neutroncsillagot talál, amelyek azonos tömegűek, de eltérő sugárúak., Ez egy átmeneti pont jelenlétére utalna, ahol az enyhe különbségek két különálló magot hoznak létre. Az egyik például többnyire neutronokat tartalmazhat, a másik pedig egzotikusabb anyagból állhat.

bár szebbnél szebb a vanguard, ez nem az egyetlen eszköz vízvezeték pulzárok ‘ mélységben. 2017-ben az amerikai lézeres interferométer gravitációs hullám Obszervatórium (LIGO), valamint az olaszországi Virgo detektor felvette a jelet két neutroncsillagról, amelyek összeomlanak és összeolvadnak4., Ahogy a tárgyak egymás körül forogtak az ütközés előtt, gravitációs hullámokat bocsátottak ki, amelyek információt tartalmaztak a csillagok méretéről és szerkezetéről. Minden csillag hatalmas gravitációs hatása megrántotta és deformálta partnerét, mindkét gömböt könnycsepp alakzatokká alakítva. A torzítás mennyisége ezekben az utolsó pillanatokban a fizikusok számára nyomokat ad a neutroncsillagok belsejében lévő anyag képlékenységéről.

LIGO létesítménye a louisianai Livingstonban tavaly áprilisban újabb neutroncsillag-robbantást hajtott végre, és több eseményt bármikor észlelhettek., A két fúzió eddig csak a neutroncsillagos belső terek tulajdonságaira utalt, ami arra utal, hogy nem különösebben deformálhatók. De a létesítmények jelenlegi generációja nem tudja megfigyelni a döntő utolsó pillanatokat, amikor a csavarodás a legnagyobb lenne, és a belső körülményeket a legvilágosabban jelenítené meg.

a Kamioka gravitációs Hullámdetektor a japán Hidában várhatóan még ebben az évben megjelenik, az indiai kezdeményezés pedig a gravitációs hullám megfigyeléseiben Aundha Naganath közelében, Marathwada, 2024-ben., A LIGÓVAL és a Virgóval együtt javítják az érzékenységet, potenciálisan még a balesethez vezető pillanatok részleteit is megragadják.

a jövőbe nézve több tervezett műszer olyan megfigyeléseket tehet, amelyek elkerülik a szebb és a jelenlegi gravitációs hullám megfigyelőközpontokat. Egy kínai-európai műhold, az enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, vagyis az eXTP várhatóan 2027-ben indul, és mind az izolált, mind a bináris neutroncsillagokat tanulmányozza, hogy segítsen meghatározni az állapotegyenletüket., A kutatók egy űralapú küldetést is javasoltak, amely a 2030-as években repülhet a szélessávú energiájú röntgensugarak Spektroszkópos Időmegoldó Obszervatóriumának, vagy STROBE-X. A szebb hotspot technikáját használná, legalább 20 további neutroncsillag tömegét és sugarát még nagyobb pontossággal.

a neutroncsillagok szíve valószínűleg mindig megőrzi néhány titkot. De a fizikusok most úgy tűnik, jól vannak elhelyezve, hogy elkezdjék visszahúzni a rétegeket., Olvassa el, aki tagja a LIGO csapat, azt mondja, hogy ő már dolgoztak a projekt elképzelni, hogy milyen tudományos kérdések gravitációs-hullám-érzékelők lenne képes kezelni a 2030s, valamint 2040s. A folyamat során rájött, hogy a táj a neutron-csillagos kutatás — különösen a kérdés az egyenletből az állami — kell nézni, nagyon különböző addigra.

“Ez volt ez a régóta fennálló puzzle, hogy kitalálod, hogy mindig ott lesz” – mondja. “Most egy olyan ponton vagyunk, ahol látom, hogy a tudományos közösség ebben az évtizedben kitalálja a neutroncsillag-szerkezet puzzle-jét.