Złoty wiek fizyki gwiazd neutronowych nadszedł

Kiedy masywna gwiazda umiera w supernowej, eksplozja jest dopiero początkiem końca. Większość materii gwiezdnej jest wyrzucana daleko i szeroko, ale żelazne serce gwiazdy pozostaje w tyle. Ten rdzeń ma masę równą dwóm Słońcom i szybko kurczy się do kuli, która rozciągałaby się na długość Manhattanu. Zgniatanie ciśnienia wewnętrznego-wystarczającego, aby wycisnąć Mount Everest do wielkości kostki cukru-łączy subatomowe protony i elektrony w neutrony.

astronomowie wiedzą tyle o tym, jak rodzą się gwiazdy neutronowe., Jednak Dokładnie to, co dzieje się później, wewnątrz tych ultra-gęstych rdzeni, pozostaje tajemnicą. Niektórzy badacze teoretyzują, że neutrony mogą dominować aż do centrum. Inni stawiają hipotezę, że niesamowite ciśnienie zagęszcza materiał w bardziej egzotyczne cząstki lub stany, które zgniatają i deformują się w nietypowy sposób.

teraz, po dziesięcioleciach spekulacji, naukowcy są coraz bliżej rozwiązania Enigmy, częściowo dzięki instrumentowi na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej o nazwie Neutron Star Interior Composition Explorer (ładniejszy).,

w grudniu ubiegłego roku Obserwatorium kosmiczne NASA dostarczyło astronomom najbardziej precyzyjnych pomiarów masy i promieniowania gwiazdy neutronowej 1,2, a także nieoczekiwanych wyników dotyczących pola magnetycznego1,3. Ładniejszy zespół planuje wydać wyniki o więcej gwiazd w ciągu najbliższych kilku miesięcy. Inne dane pochodzą z obserwatoriów fal grawitacyjnych, które mogą obserwować zderzające się ze sobą gwiazdy neutronowe. Dzięki tym połączonym obserwacjom badacze są gotowi do zerowania tego, co wypełnia wnętrzności gwiazdy neutronowej.,

dla wielu w tej dziedzinie wyniki te wyznaczają punkt zwrotny w badaniach niektórych z najbardziej oszałamiających obiektów wszechświata. „To zaczyna być złoty wiek fizyki gwiazd neutronowych”, mówi Jürgen Schaffner-Bielich, fizyk teoretyczny na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie w Niemczech.

wystrzelony w 2017 roku na pokładzie rakiety SpaceX Falcon 9, ładniejszy teleskop o wartości 62 milionów USD znajduje się poza stacją kosmiczną i zbiera promieniowanie rentgenowskie pochodzące z pulsarów-wirujących gwiazd neutronowych, które promieniują naładowane cząstki i energię w ogromnych kolumnach, które wymiatają jak promienie z latarni morskiej., Promienie rentgenowskie pochodzą z milionów stopni gorących punktów na powierzchni pulsara, gdzie silne pole magnetyczne rozrywa naładowane cząstki z zewnątrz i uderza je z powrotem w przeciwległy biegun magnetyczny.

NICER wykrywa te promienie rentgenowskie za pomocą 56 pokrytych złotem teleskopów i określa czas ich przybycia w ciągu 100 nanosekund. Dzięki tej zdolności naukowcy mogą precyzyjnie śledzić hotspoty, gdy gwiazda neutronowa krąży wokół z prędkością do 1000 razy na sekundę. Hotspoty są widoczne, gdy poruszają się po obiekcie., Ale gwiazdy neutronowe wypaczają czasoprzestrzeń tak mocno, że ładniej wykrywa również światło z hotspotów zwróconych w stronę Ziemi. Ogólna teoria względności Einsteina pozwala obliczyć stosunek masy do promienia Gwiazdy poprzez wielkość załamania światła. To i inne obserwacje pozwalają astrofizykom określić masy i promienie zmarłych gwiazd. Te dwie właściwości mogą pomóc w określeniu, co dzieje się w rdzeniach.

głęboka, mroczna tajemnica

gwiazdy neutronowe komplikują się im głębiej., Pod cienką atmosferą złożoną głównie z wodoru i helu, uważa się, że pozostałości gwiazdy mogą pochwalić się zewnętrzną skorupą o grubości zaledwie centymetra lub dwóch grubości, która zawiera jądra atomowe i swobodne elektrony. Naukowcy sądzą, że zjonizowane elementy stają się pakowane razem w następnej warstwie, tworząc siatkę w wewnętrznej skorupie. Jeszcze dalej, ciśnienie jest tak intensywne, że prawie wszystkie protony łączą się z elektronami, aby przekształcić się w neutrony, ale to, co dzieje się poza tym, jest w najlepszym razie mętne (patrz „gęsta Materia”).,

„jedną rzeczą jest znać składniki”, mówi Jocelyn Read, astrofizyk z California State University, Fullerton. „Innym jest zrozumienie przepisu i sposobu, w jaki te składniki będą ze sobą współdziałać.”

fizycy mają pewne pojęcie o tym, co się dzieje dzięki akceleratorom cząstek na Ziemi., W placówkach takich jak Brookhaven National Laboratory w Upton w Nowym Jorku i Wielki Zderzacz Hadronów CERN w pobliżu Genewy w Szwajcarii naukowcy zmiażdżyli ciężkie jony, takie jak te z ołowiu i złota, aby stworzyć krótkie Kolekcje monumentalnie gęstego materiału. Jednak te eksperymenty kinetyczne generują miliardowe, a nawet bilionowe błyski, w których protony i neutrony rozpuszczają się w zupie swoich składowych kwarków i gluonów. Ziemskie instrumenty mają trudności z sondowaniem stosunkowo łagodnych warunków milionowych stopni wewnątrz gwiazd neutronowych.,

istnieje wiele pomysłów na to, co może się wydarzyć. Możliwe, że kwarki i gluony poruszają się swobodnie. Albo ekstremalne Energie mogą prowadzić do powstania cząstek zwanych hiperonami. Podobnie jak neutrony, cząstki te zawierają trzy kwarki. Jednak podczas gdy neutrony zawierają kwarki o najbardziej podstawowej i najniższej energii, znane jako kwarki górne i dolne, hiperon ma co najmniej jeden z nich zastąpiony egzotycznym kwarkiem „dziwnym”. Inną możliwością jest to, że centrum gwiazdy neutronowej stanowi kondensat Bosego-Einsteina, stan materii, w którym wszystkie cząstki subatomowe działają jako pojedynczy kwantowo-mechaniczny byt., I teoretycy wymarzyli jeszcze bardziej dziwaczne perspektywy.

Generowałyby różne ciśnienia wewnętrzne, a zatem większy lub mniejszy promień dla danej masy. Na przykład gwiazda neutronowa z centrum kondensatu Bosego-Einsteina może mieć mniejszy promień niż ten, który jest wykonany ze zwykłego materiału, takiego jak neutrony. Jeden z jądrem zbudowanym z giętkiej materii hiperonowej może mieć jeszcze mniejszy promień.,

„rodzaje cząstek i siły między nimi wpływają na to, jak miękki lub miękki jest materiał”, mówi Anna Watts, milsza członkini zespołu z Uniwersytetu w Amsterdamie.

rozróżnienie między modelami będzie wymagało precyzyjnych pomiarów wielkości i masy gwiazd neutronowych, ale naukowcy nie byli jeszcze w stanie przesunąć swoich technik do dokładnego poziomu, aby stwierdzić, która możliwość jest najbardziej prawdopodobna. Zazwyczaj szacują masy obserwując gwiazdy neutronowe w parach binarnych., Ponieważ obiekty obiegają się nawzajem, przyciągają się grawitacyjnie, a astronomowie mogą to wykorzystać do określenia ich mas. W ten sposób zmierzono masy około 35 gwiazd, chociaż liczby te mogą zawierać paski błędów o masie do jednej masy Słońca. Ich promienie zostały obliczone zaledwie kilkanaście razy, ale w wielu przypadkach techniki nie są w stanie określić tej wartości na więcej niż kilka kilometrów — aż jedną piątą wielkości gwiazdy neutronowej.,

Ładniejszy jest cztery razy bardziej czuły i ma setki razy lepszą rozdzielczość czasową niż XMM-Newton. W ciągu najbliższych dwóch do trzech lat zespół spodziewa się, że będzie w stanie wykorzystać ładniejsze masy i promienie kolejnych pół tuzina celów, zmniejszając ich promienie do pół kilometra., Z taką precyzją, grupa będzie dobrze przygotowana, aby rozpocząć kreślenie tak zwanego równania stanu gwiazdy neutronowej, które odnosi masę do promienia lub, równoważnie, ciśnienie wewnętrzne do gęstości.

Jeśli naukowcy mają szczególne szczęście, a natura podaje szczególnie dobre dane, może pomóc wyeliminować pewne wersje tego równania. Większość fizyków uważa jednak, że Obserwatorium samo w sobie raczej zawęzi niż całkowicie wykluczy modele tego, co dzieje się w rdzeniach tajemniczych obiektów.,

linie pola

pierwszym celem Millera był J0030+0451, odizolowany pulsar, który wiruje około 200 razy na sekundę i znajduje się 337 parseków (1100 lat świetlnych) od Ziemi, w gwiazdozbiorze Ryb.

dwie grupy — jedna z Uniwersytetu Amsterdamskiego1 i druga kierowana przez naukowców z Uniwersytetu Maryland w College Park2 — oddzielnie przesiane przez 850 godzin obserwacji, służących do kontroli siebie nawzajem.,

ponieważ krzywe światła hotspot są tak złożone, grupy potrzebowały superkomputerów do modelowania różnych konfiguracji i ustalenia, które z nich najlepiej pasują do danych. Jednak oba wyniki okazały się podobne, stwierdzając, że J0030 ma masę 1,3 lub 1,4 razy większą od Słońca i promień około 13 kilometrów.,

te wyniki nie są ostateczne: mogą być wykorzystane do wspierania przyziemnych lub nieziemskich prognoz tego, co znajduje się w wnętrznościach gwiazd neutronowych. „Nie ma jeszcze żadnych wymagań dla czegoś funky, crazy lub egzotycznego” – mówi Andrew Steiner, astrofizyk jądrowy z University of Tennessee, Knoxville.

badacze zaskoczyli się odkryciami dotyczącymi kształtu i położenia hotspotów., Kanoniczny widok gwiazd neutronowych ma linie ich pola magnetycznego wyglądające jak te otaczające magnes prętowy, z północną i południową stroną wyłaniającą się z okrągłych plam na przeciwległych końcach Gwiazdy. Z kolei symulacje Holenderskich superkomputerów sugerowały, że oba hotspoty J0030 znajdują się na półkuli południowej, a jeden z nich jest długi i ma kształt półksiężyca. Zespół z Maryland wymyślił również możliwość rozwiązania trójpunktowego: dwóch południkowo owalnych i ostatniego koła w pobliżu obrotowego południowego pole3.,

„wygląda na to, że mogli dokonać pierwszego rzeczywistego wykrycia pulsara, w którym wiązki nie są rozdzielone o 180 stopni”, mówi Natalie Webb, astrofizyk z Instytutu Badań astrofizyki i Planetologii w Tuluzie we Francji, który modelował takie możliwości. „To fantastyczne, jeśli to prawda.”

wyniki te wzmocniłyby wcześniejsze obserwacje i teorie sugerujące, że pola magnetyczne gwiazd neutronowych, które są bilion razy silniejsze od Słońca, mogą być bardziej złożone niż zwykle zakładano., Uważa się, że pulsary po pierwszym formowaniu spowalniają swoją rotację w ciągu milionów lat. Ale jeśli mają wokół siebie gwiazdę towarzyszącą, mogą ukraść materiał i moment pędu temu partnerowi, zwiększając ich wirowanie do superszybkich prędkości. Gdy materia osadza się na zewnątrz Gwiazdy, niektórzy teoretycy sugerują, że może ona oddziaływać na płynną warstwę neutronów podpowierzchniowych, generując gigantyczne wiry, które obracają pole magnetyczne gwiazdy neutronowej w dziwne układy., Towarzysz może ostatecznie zostać skonsumowany lub utracić tak dużą masę, że staje się grawitacyjnie niezwiązany i odlatuje, jak to mogło mieć miejsce w przypadku samotnego teraz j0030.

prace w toku

W tym samym czasie zespół zaczyna analizować dane z drugiego celu, nieco cięższego pulsara z białym karłem., Inni astronomowie wykorzystali obserwacje tańca orbitalnego tej pary do określenia masy pulsara, co oznacza, że badacze mają niezależny pomiar, który mogą wykorzystać do potwierdzenia swoich odkryć.

wśród celów ładniejszego, zespół planuje włączyć co najmniej kilka pulsarów o dużej masie, w tym aktualnego rekordzistę dla najbardziej masywnej gwiazdy neutronowej-Behemota o masie 2,14 razy większej od masy Słońca. Powinno to umożliwić badaczom zbadanie górnej granicy: punktu, w którym gwiazda neutronowa zapada się do czarnej dziury. Nawet obiekt o masie 2,14 masy Słońca jest wyzwaniem dla teoretyków do wyjaśnienia. Kilku badaczy zasugerowało również, że możliwe jest znalezienie dwóch gwiazd neutronowych o tej samej masie, ale różnych promieniach., Sugerowałoby to obecność punktu przejściowego, w którym niewielkie różnice tworzą dwa odrębne rdzenie. Na przykład jeden może zawierać głównie neutrony, a drugi może składać się z materiału bardziej egzotycznego.

chociaż ładniejszy jest w awangardzie, to nie jest to jedyny instrument, który wykorzystuje pulsary. W 2017 roku Amerykańskie Obserwatorium fal grawitacyjnych interferometru laserowego (LIGO) wraz z detektorem Virgo we Włoszech odebrało sygnał z dwóch gwiazd neutronowych rozbijających się i łączących się ze sobą., Gdy obiekty obracały się wokół siebie przed katastrofą, emitowały fale grawitacyjne, które zawierały informacje o rozmiarach i strukturze gwiazd. Kolosalny wpływ grawitacyjny każdej Gwiazdy szarpał i deformował jej partnera, zmieniając obie ze sfer w kształty łez. Ilość zniekształceń w tych ostatnich momentach daje fizykom wskazówki na temat plastyczności materiału wewnątrz gwiazd neutronowych.

obiekt LIGO w Livingston w Luizjanie w kwietniu ubiegłego roku dokonał drugiego rozboju gwiazdy neutronowej.w każdej chwili można było zaobserwować kolejne zdarzenia., Do tej pory oba Fuzje wskazywały jedynie na właściwości wnętrza gwiazd neutronowych, sugerując, że nie są one szczególnie deformowalne. Ale obecna generacja obiektów nie może obserwować kluczowych momentów końcowych, kiedy wypaczanie byłoby największe i najbardziej wyraźnie pokazywałoby warunki wewnętrzne.

detektor fal grawitacyjnych Kamioka w Hida, Japonia, ma pojawić się w Internecie jeszcze w tym roku, a Indyjska inicjatywa w zakresie obserwacji fal grawitacyjnych w pobliżu Aundha Naganath, Marathwada, w 2024 roku., W połączeniu z LIGO i Virgo poprawią czułość, potencjalnie nawet uchwycą szczegóły momentów prowadzących do katastrofy.

patrząc dalej w przyszłość, kilka planowanych instrumentów może prowadzić obserwacje, które wymykają się ładniejszym i aktualnym obserwatoriom fal grawitacyjnych. Chińsko-Europejski Satelita o nazwie enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission (eXTP) ma wystartować w 2027 roku i badać zarówno pojedyncze, jak i podwójne gwiazdy neutronowe, aby pomóc w określeniu ich równania stanu., Naukowcy zaproponowali również misję kosmiczną, która mogłaby polecieć w 2030 roku pod nazwą spektroskopowe Obserwatorium rozdzielające czas dla szerokopasmowych promieni rentgenowskich lub STROBE-X. wykorzystałoby to technikę hotspot ładniejszego, przycinając masy i promienie co najmniej 20 więcej gwiazd neutronowych z jeszcze większą precyzją.

serca gwiazd neutronowych prawdopodobnie zawsze zachowają jakieś sekrety. Ale fizycy wydają się być dobrze przygotowani, by zacząć odrywać warstwy., Read, która jest członkiem zespołu LIGO, mówi, że współpracowała przy projekcie, aby wyobrazić sobie, jakie naukowe pytania detektory fal grawitacyjnych byłyby w stanie rozwiązać w latach 2030 i 2040. w trakcie tego procesu, zdała sobie sprawę, że krajobraz dla badań gwiazd neutronowych-w szczególności kwestia równania stanu – powinien wyglądać zupełnie inaczej do tego czasu.

„Teraz jesteśmy w punkcie, w którym widzę, jak społeczność naukowa rozwiązuje zagadkę struktury gwiazdy neutronowej w ciągu tej dekady.