Het gouden tijdperk van de neutronensterfysica is aangebroken

wanneer een massieve ster sterft in een supernova, is de explosie slechts het begin van het einde. Het grootste deel van de stellaire materie wordt wijd en zijd gegooid, maar het met ijzer gevulde hart van de ster blijft achter. Deze kern bevat evenveel massa als twee zonnen en krimpt snel tot een bol die de lengte van Manhattan zou overspannen. Door interne druk te breken — genoeg om Mount Everest tot de grootte van een suikerklontje te persen-worden subatomaire protonen en elektronen samengevoegd tot neutronen.

astronomen weten zoveel over hoe neutronensterren worden geboren., Maar wat er daarna precies gebeurt, in deze ultradichte kernen, blijft een mysterie. Sommige onderzoekers denken dat neutronen helemaal tot in het midden domineren. Anderen veronderstellen dat de ongelooflijke druk het materiaal samendrukt in meer exotische deeltjes of toestanden die squish en vervormen op ongebruikelijke manieren.nu, na decennia van speculatie, komen onderzoekers dichter bij het oplossen van het enigma, mede dankzij een instrument op het Internationale Ruimtestation genaamd de Neutron Star Interior Composition Explorer (mooier).,afgelopen December heeft dit NASA-ruimteobservatorium astronomen enkele van de meest nauwkeurige metingen ooit gedaan van de massa en de radius van een neutronenster1,2, evenals onverwachte bevindingen over zijn magnetische veld1,3. Het mooiere team is van plan om de komende maanden resultaten over meer sterren uit te brengen. Andere gegevens komen binnen van gravitatiegolven observatoria, die neutronensterren kunnen zien contorteren als ze samen crashen. Met deze gecombineerde observaties, zijn onderzoekers klaar om te bepalen wat de ingewanden van een neutronenster vult.,

voor velen in het veld markeren deze resultaten een keerpunt in de studie van enkele van de meest verbijsterende objecten van het universum. “Dit begint een Gouden Eeuw van neutronensterrenfysica te worden”, zegt Jürgen Schaffner-Bielich, een theoretisch natuurkundige aan de Goethe Universiteit in Frankfurt, Duitsland.de 62 miljoen dollar mooiere telescoop, gelanceerd in 2017 aan boord van een SpaceX Falcon 9-raket, zit buiten het ruimtestation en verzamelt röntgenstralen van pulsars-draaiende neutronensterren die geladen deeltjes en energie uitstralen in enorme kolommen die rondzweven als stralen van een vuurtoren., De röntgenstralen komen van miljoenen graden hotspots op het oppervlak van een pulsar, waar een krachtig magnetisch veld geladen deeltjes van de buitenkant scheurt en ze weer neerslaat op de tegengestelde magnetische pool.

prettiger detecteert deze röntgenfoto ‘ s met 56 vergulde telescopen, en de tijd geeft hun aankomst binnen 100 nanoseconden aan. Met deze mogelijkheid kunnen onderzoekers hotspots nauwkeurig volgen terwijl een neutronenster tot 1000 keer per seconde rondzweept. Hotspots zijn zichtbaar als ze over het object slingeren., Maar neutronensterren vervormen de ruimtetijd zo sterk dat mooiere ook licht detecteert van hotspots die weg van de aarde kijken. Einsteins algemene relativiteitstheorie biedt een manier om de massa-straalverhouding van een ster te berekenen door de hoeveelheid lichtbuigen. Dat en andere observaties stellen astrofysici in staat om de massa ‘ s en stralen van de overleden sterren vast te stellen. Die twee eigenschappen kunnen helpen bij het bepalen wat er gebeurt in de kernen.

diep, donker mysterie

neutronensterren worden ingewikkelder naarmate ze dieper gaan., Onder een dunne atmosfeer die voornamelijk bestaat uit waterstof en helium, zouden de stellaire resten een buitenste korst van slechts een centimeter of twee dik hebben die atoomkernen en vrij rondzwevende elektronen bevat. Onderzoekers denken dat de geïoniseerde elementen worden samengepakt in de volgende laag, het creëren van een rooster in de binnenste korst. Nog verder naar beneden is de druk zo intens dat bijna alle protonen zich combineren met elektronen om in neutronen te veranderen, maar wat daarna gebeurt is op zijn best duister (zie ‘dichte materie’).,

” Het is één ding om de ingrediënten te kennen, ” zegt Jocelyn Read, een astrofysicus aan de California State University, Fullerton. “Het is iets anders om het recept te begrijpen, en hoe die ingrediënten met elkaar gaan communiceren.”

natuurkundigen hebben enig idee van wat er gebeurt, dankzij deeltjesversnellers op aarde., In faciliteiten zoals Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, en CERN ‘ s Large Hadron Collider in de buurt van Genève, Zwitserland, hebben onderzoekers zware ionen, zoals die van lood en goud, aan elkaar geslagen om korte collecties van monumentaal dicht materiaal te creëren. Maar deze kinetische experimenten genereren miljarden-of zelfs biljoen-graden flitsen, waarin protonen en neutronen oplossen in een soep van hun samenstellende quarks en gluonen. Terrestrische instrumenten hebben het moeilijk om de relatief milde miljoenen graden omstandigheden in neutronensterren te onderzoeken.,

er zijn meerdere ideeën over wat er zou kunnen gebeuren. Het kan zijn dat quarks en gluonen vrij rondlopen. Of, de extreme energieën kunnen leiden tot de creatie van deeltjes genaamd hyperonen. Net als neutronen bevatten deze deeltjes drie quarks. Maar terwijl neutronen de meest basale en laagste-energie quarks bevatten, bekend als op en neer quarks, heeft een hyperon er minstens één vervangen door een exotische ‘vreemde’ quark. Een andere mogelijkheid is dat het centrum van een neutronenster een bose–einsteincondensaat is, een toestand van materie waarin alle subatomaire deeltjes fungeren als een enkele kwantummechanische entiteit., Theoretici hebben ook nog meer bizarre vooruitzichten bedacht.cruciaal is dat elke mogelijkheid op een karakteristieke manier zou terugduwen tegen de kolossale zwaartekracht van een neutronenster. Ze zouden verschillende interne druk genereren en dus een grotere of kleinere straal voor een bepaalde massa. Een neutronenster met bijvoorbeeld een Bose–Einstein condensaatcentrum heeft waarschijnlijk een kleinere straal dan een die gemaakt is van gewoon materiaal zoals neutronen. Een met een kern gemaakt van buigzame hyperon materie kan nog een kleinere radius hebben.,

” de soorten deeltjes en de krachten ertussen beïnvloeden hoe zacht of squashy het materiaal is, ” zegt Anna Watts, een aardiger teamlid aan de Universiteit van Amsterdam.het differentiëren tussen de modellen vereist nauwkeurige metingen van de grootte en de massa van neutronensterren, maar de onderzoekers zijn er nog niet in geslaagd hun technieken tot een niveau te brengen dat voldoende nauwkeurig is om te zeggen welke mogelijkheid het meest waarschijnlijk is. Meestal schatten ze massa ‘ s door neutronensterren in binaire paren te observeren., Als de objecten om elkaar heen draaien, trekken ze zwaartekracht aan elkaar, en astronomen kunnen dit gebruiken om hun massa te bepalen. Ongeveer 35 sterren hebben hun massa op deze manier laten meten, hoewel de cijfers foutbalken van maximaal één zonnemassa kunnen bevatten. Slechts een dozijn of zo hebben ook hun straal berekend, maar in veel gevallen kunnen de technieken deze waarde niet beter dan een paar kilometer bepalen — zo veel als een vijfde van de grootte van een neutronenster.,

De hotspotmethode van aardiger is gebruikt door het XMM-Newton X-ray observatory van het Europees Ruimteagentschap, dat in 1999 van start is gegaan en nog steeds in gebruik is. Mooier is vier keer gevoeliger en heeft honderden keren een betere tijdresolutie dan de XMM-Newton. In de komende twee tot drie jaar verwacht het team in staat te zijn om mooier te gebruiken om de massa ‘ s en radii van nog een half dozijn doelen uit te werken, waarbij hun radii tot binnen een halve kilometer wordt beperkt., Met deze precisie zal de groep goed geplaatst zijn om te beginnen met het plotten van wat bekend staat als de neutronenstervergelijking, die massa relateert aan straal of, gelijkwaardig, interne druk aan dichtheid.

als wetenschappers bijzonder veel geluk hebben en de natuur toevallig bijzonder goede gegevens levert, kan mooier helpen bepaalde versies van deze vergelijking te elimineren. Maar de meeste natuurkundigen denken dat, op zichzelf, het observatorium waarschijnlijk zal beperken in plaats van volledig uit te sluiten modellen van wat er gebeurt in de mysterieuze objecten’ kernen.,

” Dit zou nog steeds een enorme vooruitgang zijn op waar we nu zijn,” zegt Watts.

veldlijnen

Aarts eerste doelwit was J0030+0451, een geïsoleerde pulsar die ongeveer 200 keer per seconde draait en 337 parsecs (1.100 lichtjaar) van de aarde ligt, in het sterrenbeeld Vissen.

twee groepen — één voornamelijk gebaseerd op de Universiteit van Amsterdam1 en een andere geleid door onderzoekers aan de Universiteit van Maryland in College Park2 — hebben afzonderlijk 850 uur observaties uitgezift, die als controle op elkaar dienden.,

omdat de hotspot lichtcurves zo complex zijn, hadden de groepen supercomputers nodig om verschillende configuraties te modelleren en uit te zoeken welke het beste bij de gegevens passen. Maar beide kwamen met vergelijkbare resultaten, en vonden dat J0030 een massa heeft van 1,3 of 1,4 keer die van de zon, en een straal van ongeveer 13 kilometer.,

deze resultaten zijn niet definitief: ze kunnen worden gebruikt om de wereldse of de buitenaardse voorspellingen te ondersteunen voor wat zich in de ingewanden van neutronensterren bevindt. “Er is nog geen vereiste voor iets funky of gek of exotisch,” zegt Andrew Steiner, een nucleaire astrofysicus aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville.

onderzoekers kregen een grotere verrassing met bevindingen over de vorm en positie van de hotspots., De canonieke weergave van neutronensterren heeft hun magnetische veldlijnen die lijken op die rond een staafmagneet, waarbij de Noord-en zuidzijde uit cirkelvormige vlekken aan de tegenovergestelde uiteinden van de ster tevoorschijn komen. De Nederlandse supercomputersimulaties impliceerden daarentegen dat beide hotspots van de J0030 zich op het zuidelijk halfrond bevinden, en dat één ervan lang en halvemaanvormig is1. Het Maryland team kwam ook met de mogelijkheid van een drie-hotspot oplossing: twee zuidelijke ovale en een laatste cirkel in de buurt van de rotatie Zuidpool 3.,”het lijkt erop dat ze de eerste echte detectie van een pulsar hebben gemaakt waarbij de balken niet 180 graden van elkaar gescheiden zijn,” zegt Natalie Webb, een astrofysicus aan het Institute for Research in Astrophysics and Planetology in Toulouse, Frankrijk, die dergelijke mogelijkheden heeft gemodelleerd. “Dat is fantastisch als het waar is.”

de resultaten zouden eerdere waarnemingen en theorieën ondersteunen die suggereren dat de magnetische velden van neutronensterren, die een biljoen keer sterker zijn dan die van de zon, complexer kunnen zijn dan algemeen wordt aangenomen., Nadat ze zich voor het eerst vormen, wordt gedacht dat pulsars hun rotatie over miljoenen jaren vertragen. Maar als er een metgezel om hen heen draait, kunnen ze materiaal en impulsmoment stelen van deze partner, waardoor ze supersnel draaien. Als de materie wordt afgezet op de buitenkant van de ster, sommige theoretici suggereren dat het een vloeistof-achtige laag van de ondergrond neutronen zou kunnen beïnvloeden, het genereren van gigantische wervelingen die draaien het magnetische veld van de neutronenster in vreemde arrangementen., De metgezel kan uiteindelijk worden verbruikt of zoveel massa verliezen dat het gravitationeel ongebonden wordt en wegvliegt, zoals het geval zou kunnen zijn met de nu Solitaire J0030.

Work in progress

mooier blijft J0030 observeren om de nauwkeurigheid van zijn radiummetingen verder te verbeteren. Tegelijkertijd begint het team gegevens te analyseren van een tweede doelwit, een iets zwaardere pulsar met een witte dwerg metgezel., Andere astronomen hebben waarnemingen van de orbitale dans van dit paar gebruikt om de massa van de pulsar te bepalen, wat betekent dat mooiere onderzoekers een onafhankelijke meting hebben die ze kunnen gebruiken om hun bevindingen te valideren.

het team is van plan om ten minste een paar pulsars met een hoge massa op te nemen, waaronder de huidige recordhouder voor de meest massieve neutronenster-een kolos met een massa van 2,14 maal die van de zon. Dat zou de onderzoekers in staat moeten stellen een bovengrens te onderzoeken: het punt waarop een neutronenster instort in een zwart gat. Zelfs het 2.14-solar-mass object is een uitdaging voor theoretici om het uit te leggen. Verschillende onderzoekers hebben ook gesuggereerd dat mooiere in staat zou zijn om twee neutronensterren te vinden met dezelfde massa maar verschillende stralen., Dat wijst op de aanwezigheid van een overgangspunt, waar kleine verschillen twee verschillende kernen creëren. De ene kan bijvoorbeeld voornamelijk neutronen bevatten en de andere kan bestaan uit exotischer materiaal.

hoewel mooier is aan de voorhoede, is het niet het enige instrument dat pulsars’ diepten afvoert. In 2017 pikte de Amerikaanse laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), samen met de Virgo detector in Italië, het signaal op van twee neutronensterren die neerstortten en samensmelten4., Toen de objecten voor de crash om elkaar heen draaiden, zonden ze gravitatiegolven uit die informatie bevatten over de grootte en structuur van de sterren. De enorme zwaartekracht van elke ster trok aan en vervormde zijn partner, waarbij beide bollen veranderden in druppelvormen. De hoeveelheid vervorming in die laatste momenten geeft natuurkundigen aanwijzingen over de kneedbaarheid van het materiaal in de neutronensterren.

LIGO ‘ s faciliteit in Livingston, Louisiana, pikte een tweede neutronenster smash-up afgelopen April, en meer gebeurtenissen konden worden gespot op elk moment., Tot nu toe hebben de twee samenvoegingen alleen gewezen op de eigenschappen van neutronensterreninterieurs, wat suggereert dat ze niet bijzonder vervormbaar zijn. Maar de huidige generatie van faciliteiten kan de cruciale laatste momenten niet waarnemen, wanneer de kromming het grootst zou zijn en de interne omstandigheden het duidelijkst zouden weergeven.de Kamioka Gravitatiegolfdetector in Hida, Japan, zal naar verwachting later dit jaar online komen, en het Indiase initiatief in Gravitatiegolfwaarnemingen bij Aundha Naganath, Marathwada, in 2024., In combinatie met LIGO en Virgo zullen ze de gevoeligheid verbeteren en mogelijk zelfs de details vastleggen van de momenten die tot een crash leiden.

als we verder in de toekomst kijken, zouden verschillende geplande instrumenten waarnemingen kunnen maken die mooier zijn en huidige zwaartekrachtgolfobservatoria. Een Chinees–Europese satelliet genaamd De enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, of eXTP, zal naar verwachting in 2027 lanceren en zowel geïsoleerde als binaire neutronensterren bestuderen om hun vergelijking van toestand te helpen bepalen., Onderzoekers hebben ook een ruimte-gebaseerde missie die zou kunnen vliegen in de jaren 2030 genaamd de spectroscopische tijd-Resolving Observatory for Broadband Energy X-rays, of stroboscoop-X. Het zou gebruik maken van mooiere hotspot techniek, het vastpinnen van de massa ‘ s en stralen van ten minste 20 neutronensterren met nog meer precisie.

de harten van neutronensterren zullen waarschijnlijk altijd enkele geheimen behouden. Maar natuurkundigen lijken nu goed geplaatst om te beginnen met het afpellen van de lagen., Read, lid van het LIGO-team, zegt dat ze heeft samengewerkt aan een project om zich voor te stellen welke wetenschappelijke vragen gravitatiegolfdetectoren in de jaren 2030 en 2040 zouden kunnen aanpakken. tijdens het proces realiseerde ze zich dat het landschap voor neutronensterrenonderzoek-in het bijzonder de kwestie van de vergelijking van de toestand — er tegen die tijd heel anders zou moeten uitzien.

“Het is deze al lang bestaande puzzel die je denkt dat er altijd zal zijn,” zegt ze. “Nu zijn we op een punt waar ik de wetenschappelijke gemeenschap kan zien het uitzoeken van de neutron-ster-structuur puzzel binnen dit decennium.