Golden age of nøytron-stjerners fysikk har kommet

Når en massiv stjerne dør i en supernova eksplosjon er bare begynnelsen på slutten. De fleste av stellar saken er kastet langt og bredt, men stjernen er strykejern-fylt hjerte fortsatt bak. Denne kjernen pakker så mye masse som to Soler og raskt krymper til en sfære som ville span lengden på Manhattan. Knusing indre trykk, som er nok til å presse Mount Everest på størrelse med en sukkerbit — sikringer subatomære protoner og elektroner inn nøytroner.

Astronomer vet så mye om hvordan nøytron stjerner blir født., Men akkurat hva som skjer etterpå, inne i disse ultra-tette kjerner, forblir et mysterium. Noen forskere theorize at nøytroner kan dominere hele veien ned til sentrum. Andre hypoteser som et utrolig press komprimerer materialet til mer eksotiske partikler eller stater som squish og deformere på uvanlige måter.

Nå, etter flere tiår med spekulasjoner, forskerne er å komme nærmere å løse gåten, delvis takket være et instrument på den Internasjonale romstasjonen kalt Nøytron-Stjerners Innvendig Sammensetning Explorer (PENERE).,

i desember i Fjor, dette NASA space observatory gitt astronomene med noen av de mest nøyaktige målinger som noensinne er laget av et nøytron-stjerners masse og radius1,2, samt uventede funn om dens magnetiske field1,3. De FINERE lag planer resultater om flere stjerner i de neste månedene. Andre data som kommer inn fra gravitasjons-bølge jorden, som kan se nøytron stjerner contort som de krasjer sammen. Med disse kombinert observasjoner, forskere er klare til å fokusere på det som fyller det indre av et nøytron-stjerners.,

For mange i feltet, disse resultatene markere et vendepunkt i studiet av noen av Universets mest forvirrende objekter. «Dette begynner å bli en gullalder for nøytron-stjerners fysikk, sier Jürgen Schaffner-Bielich, en teoretisk fysiker ved Goethe-Universitetet i Frankfurt, Tyskland.

Lansert i 2017 ombord i en SpaceX Falcon 9 rakett, US$62 millioner BEDRE teleskop sitter utenfor romstasjonen, og samler inn X-stråler som kommer fra nøytronstjerner — spinning nøytron stjernene som stråler ladede partikler og energi i enorme søyler som feie rundt som stråler fra et fyrtårn., X-stråler kommer fra millioner-grad hotspots på en pulsar overflate, hvor en kraftig magnetisk felt rips ladede partikler av utvendig og smeller dem tilbake ned på den motsatte magnetiske nordpol.

HYGGELIGERE oppdager disse X-stråler ved å bruke 56 gull-belagt teleskoper, og tid-stempler deres ankomst til innenfor 100 nanosekunder. Med denne evnen, forskere kan nettopp spor soner som et nøytron-stjerners pisker rundt på opp til 1.000 ganger per sekund. Hotspots er synlige som de swing over objektet., Men nøytron stjerner warp rom-tid så sterkt at HYGGELIGERE oppdager også lys fra hotspots vender bort fra Jorden. Einsteins generelle relativitetsteori gir en måte å beregne en stjerne masse-til-radius-forhold gjennom mengden av lys-bøying. At og andre observasjoner tillate astrophysicists å pin ned massene og radier av døde stjerner. Disse to egenskapene kan bidra i å bestemme hva som skjer nedover i kjernene.

Dyp, mørk mystikk

Nøytron stjernene bli mer komplisert jo dypere man går., Under en tynn atmosfære laget hovedsakelig av hydrogen og helium, stellar restene er tenkt å skryte av en ytre skorpe bare en centimeter eller to tykke som inneholder atomic kjerner og gratis-roaming elektroner. Forskere tror at ionisert elementer blir pakket sammen i det neste laget, og skaper et gitter i indre skorpe. Enda lenger ned, trykket er så intens at nesten alle protoner kombinere med elektroner til å slå inn nøytroner, men hva skjer utover at det er uklart i beste (se «Tett sak»).,

«Det er én ting å vite ingrediensene,» sier Jocelyn Lese, en astrofysiker ved California statsuniversitet Fullerton. «Det er en annen til å forstå oppskriften, og hvordan de ingrediensene kommer til å samhandle med hverandre.»

Fysikere har noen ide om hva som skjer, takket være partikkel hurtigvalg på Jorden., På fasiliteter som Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, og CERN ‘ s Large Hadron Collider i nærheten av Geneve, Sveits, forskere har knust sammen tunge ioner, slik som de av bly og gull, for å lage korte samlinger av monumentally tett materiale. Men disse kinetisk eksperimenter generere milliarder kroner – eller billioner-grad blinker, der protoner og nøytroner oppløses i en suppe av sine bestanddeler kvarker og gluoner. Terrestriske instrumenter har en hard tid sondering relativt milde millioner-av-grader forholdene inne nøytron stjerner.,

Det er flere ideer om hva som kan skje. Det kan være at kvarker og gluoner streife fritt. Eller, den ekstreme krefter kunne føre til etablering av partikler kalt hyperons. Som nøytroner, disse partiklene inneholder tre kvarker. Men mens nøytroner inneholder de mest grunnleggende og lavest energi kvarker, kjent som opp-og ned-kvarker, en hyperon har minst en av disse erstattet med en eksotisk ‘merkelige’ quark. En annen mulighet er at sentrum av et nøytron star er et Bose–Einstein kondensat, en tilstand av materie som alle subatomære partikler opptre som en enkelt quantum-mekanisk enhet., Og teoretikere har drømt opp enda mer fremmedartet prospekter, også.

det som er Avgjørende, hver mulighet ville presse tilbake på en karakteristisk måte mot et nøytron star ‘ s enorme tyngdekraften. De ville generere ulike interne presset, og derfor en større eller mindre radius for en gitt masse. Et nøytron stjerne med et Bose–Einstein kondensat sentrum, for eksempel, er sannsynlig å ha en mindre radius enn man gjorde fra vanlige materiale som nøytroner. En med en kjerne laget av smidig hyperon saken kunne ha en mindre radius fortsatt.,

«De typer av partikler og krefter mellom dem påvirker hvor myk eller squashy materialet er,» sier Anna Watt, en BEDRE team-medlem ved Universitetet i Amsterdam.

å Skille mellom modellene vil kreve nøyaktige målinger av størrelse og masse til nøytron stjerner, men forskerne har ennå ikke vært i stand til å presse sine teknikker for å fin-nok nivåer å si hvilken mulighet er mest sannsynlig. De vanligvis estimat massene ved å observere nøytron stjerner i binære par., Som objekter i bane rundt hverandre, de drakamp med tyngdekraft på hverandre, og astronomene kan bruke dette til å finne ut deres masser. Omtrent 35 stjerner har hatt sin massene målt på denne måten, selv om tallene kan inneholde feil barer opp til en solar masse. Bare et dusin eller så har også hatt sine radier beregnet, men i mange tilfeller, teknikker kan ikke fastsette denne verdien til bedre enn et par kilometer — så mye som en femtedel av størrelsen av et nøytron-stjerners.,

HYGGELIGERE er hotspot metoden har blitt brukt av European Space Agency XMM-Newton X-ray observatory, som ble lansert i 1999 og er fortsatt i drift. HYGGELIGERE er fire ganger mer følsomme og har hundrevis av ganger bedre oppløsning enn XMM-Newton. I løpet av de neste to til tre årene, team forventer å være i stand til å bruke HYGGELIGERE å jobbe ut massene og radier av en annen et halvt dusin mål, låsing ned sine radier til innen en halv kilometer., Med denne presisjon, vil gruppen være godt plassert for å begynne å plotte ut hva som er kjent som nøytron-stjerners ligningen av staten, som gjelder masse å radius eller tilsvarende internt press for å tetthet.

Hvis forskerne er spesielt heldig og natur skjer for å tjene opp spesielt gode data, BEDRE kan bidra til å eliminere visse versjoner av denne ligningen. Men de fleste fysikere tror at, på sin egen, observatoriet vil sannsynligvis begrense heller enn å helt utelukke modeller av hva som skjer i den mystiske objekter’ kjerner.,

«Dette ville fremdeles være en stor forhånd på hvor vi er nå, sier Watt.

– Feltet linjer

HYGGELIGERE er det første målet var J0030+0451, en isolert pulsar som spinner omtrent 200 ganger per sekund og er 337 parsecs (1,100 lysår) fra Jorda, i stjernebildet Fiskene.

To grupper — en basert først og fremst ved Universitetet i Amsterdam1 og annen ledet av forskere ved University of Maryland-College Park2 — separat siktet gjennom 850 timer med observasjoner, som fungerer som kontroller på hverandre.,

Fordi hotspot lys kurver er så komplekse, grupper nødvendig superdatamaskiner til å modellere ulike konfigurasjoner og finne ut hvilke som passer best til dataene. Men begge kom opp med lignende resultater, finne at J0030 har en masse som er 1,3 eller 1,4 ganger at av Solen, og en radius på om lag 13 kilometer.,

Disse resultatene er ikke definitive: de kan brukes til å støtte enten det dagligdagse eller utenomjordiske spådommer for hva som er inne i guts av nøytron stjerner. «Det er ingen krav til noe funky gal eller eksotiske ennå,» sier Andrew Steiner, en kjernefysisk astrofysiker ved University of Tennessee i Knoxville.

Forskere fikk en større overraskelse med funn om formen og plasseringen av den trådløse soner., Den kanoniske vise til nøytron stjerner har sine magnetiske feltlinjer ser ut til at de som omgir en bar magnet, med nord-og sør-sider dukker opp fra circular flekker på motsatt side av stjernen. I kontrast, den nederlandske superdatamaskin simuleringer underforstått at begge J0030 er hotspots er i den sørlige halvkule, og at en av dem er lang og halvmåne-shaped1. Maryland team kom også opp med mulighet for en tre-hotspot løsning: to sørlig oval-formet seg, og en endelig sirkel i nærheten av roterende sør pole3.,

«Det ser ut som de kan ha laget den første virkelige oppdagelsen av en pulsar der bjelkene er ikke 180 grader atskilt, sier Natalie Webb, en astrofysiker ved Instituttet for Forskning i Astrofysikk og Planetology i Toulouse, Frankrike, som har produsert slike muligheter. «Det er fantastisk hvis det er sant.»

resultatene ville styrke tidligere observasjoner og teorier som tyder på at nøytron stjerner’ magnetic fields, som er en billioner ganger sterkere enn Solen er, kan være mer komplisert enn vanligvis antatt., Etter de første form, nøytronstjerner er tenkt å bremse rotasjonen over millioner av år. Men hvis de har en ledsager stjerner som går i bane rundt dem, de kan stjele materiale og drivmoment fra denne partneren, øke deres spinning å superrask hastighet. Som saken blir satt på stjernen utvendig, noen teoretikere foreslår at det kan påvirke væske-lignende lag av undergrunnen nøytroner, generere gigantiske virvlene som vri nøytron star ‘ s magnetiske feltet i odd ordninger., Ledsager kan til slutt bli konsumert eller mister så mye masse at det blir med tyngdekraft ubundne og flyr vekk, som kunne ha vært tilfelle med den nå ensomme J0030.

Arbeid

HYGGELIGERE fortsetter å observere J0030 å ytterligere forbedre presisjonen av sin radius målinger. På samme tid, er det laget er i ferd med å analysere data fra et annet mål, en litt tyngre pulsar med en hvit dverg ledsager., Andre astronomer har brukt observasjoner av dette paret orbital dans til å bestemme pulsar masse, noe som betyr BEDRE forskere har en uavhengig måling som de kan bruke til å validere sine funn.

Blant de PENERE ‘ s mål, er det laget planer om å inkludere minst et par av høy masse nøytronstjerner, inkludert gjeldende rekord-holderen for de fleste massive nøytron-stjerners — en behemoth med en masse 2.14 ganger Solens. Det bør tillate forskere å undersøke en øvre grense: punktet der en nøytron stjerne kollapser inn i et sort hull. Selv 2.14-solar-masse objektet er utfordrende for teoretikere til å forklare. Flere forskere har også foreslått at HYGGELIGERE kan være i stand til å finne to nøytron stjerner med samme masse, men med ulike radier., Det ville tyder på tilstedeværelsen av en overgang punkt, der små forskjeller lage to forskjellige kjerner. Man kan hovedsakelig inneholder nøytroner, for eksempel, og den andre kan være sammensatt av mer eksotiske materialer.

Selv om HYGGELIGERE er fortroppen, det er ikke det eneste instrumentet vvs nøytronstjerner’ dyp. I 2017, USA Laser Interferometer Gravitasjons-Wave Observatory (LIGO), sammen med Jomfruen detektor i Italia, plukket opp signalet fra to nøytron stjerner krasje og sammenslåing together4., Som objekter rotert rundt hverandre før ulykken, de slippes ut gravitasjonsbølger som inneholdt informasjon om stjernene’ størrelse og struktur. Hver stjerne er kolossale gravitasjonsfelt innflytelse dro på og deformert sin partner, contorting både fra kulene i teardrop former. Mengden av forvrengning i de siste øyeblikkene gir fysikere hint om malleability av materiale inne i nøytron stjerner.

LIGO anlegg i Livingston, Louisiana, plukket opp en ny nøytron-stjerners smash-opp i April i fjor, og flere hendelser kunne bli oppdaget når som helst., Så langt, de to fusjoner har bare antydet egenskapene av nøytron-stjerners interiør, noe som tyder på at de er ikke spesielt deformerbar. Men den nåværende generasjonen av fasilitetene kan ikke observere den avgjørende siste øyeblikk, når bøying ville være størst, og ville vise interne forholdene mest klart.

Kamioka Gravitasjonsfelt Bølge Detektor i Hida, Japan, er ventet å komme på nett senere i år, og den Indiske Initiativ i Gravitasjons-bølge Observasjoner i nærheten Aundha Naganath, Marathwada, i 2024., I kombinasjon med LIGO og Jomfruen, de vil forbedre følsomheten, potensielt selv å fange detaljene i de øyeblikkene som fører opp til en krasj.

Leter videre inn i fremtiden, flere planlagte virkemidler kan gjøre observasjoner som unnvike HYGGELIGERE og gjeldende gravitasjons-bølge jorden. En Kinesisk–Europeisk satellitt som kalles enhanced X-ray Timing og Polarimetry oppgave, eller eXTP, er forventet å starte i 2027 og studere både isolert og binære nøytron stjerner for å hjelpe med å finne sin ligning av staten., Forskere har også foreslått en plass-basert oppdrag som kunne fly i 2030s kalt Spektroskopiske Tid å Løse Observatory for Bredbånd Energy X-stråler, eller STROBE-X. Det ville bruke HYGGELIGERE er hotspot teknikk, låsing ned massene og radius på minst 20 mer nøytron stjerner med enda mer presisjon.

hjerter nøytron-stjerner kommer sannsynligvis alltid til å beholde noen hemmeligheter. Men fysikere nå synes godt plassert for å begynne peeling tilbake lag., Lese, som er medlem av LIGO team, sier at hun har samarbeidet om et prosjekt for å forestille seg hva vitenskapelige spørsmål gravitasjons-bølge detektorer ville være i stand til å takle i 2030s og 2040s. I den prosessen, skjønte hun at landskapet for nøytron-stjerners forskning — særlig spørsmålet om ligningen av state — bør se veldig annerledes ut da.

«Det har vært denne langvarige puslespill som du figuren, vil alltid være der, sier hun. «Nå er vi ved et punkt der jeg kan se det vitenskapelige samfunn til å finne ut nøytron-stjerners-struktur puslespill løpet av dette tiåret.