Epoca de aur a fizicii stelelor neutronice a sosit

când o stea masivă moare într-o supernovă, explozia este doar începutul sfârșitului. Cea mai mare parte a materiei stelare este aruncată departe și în larg, dar inima plină de fier a stelei rămâne în urmă. Acest nucleu împachetează la fel de multă masă ca doi sori și se micșorează rapid într-o sferă care s-ar întinde pe lungimea Manhattan-ului. Zdrobirea presiunii interne-suficientă pentru a stoarce Muntele Everest la dimensiunea unui cub de zahăr — fuzionează protonii subatomici și electronii în neutroni.

astronomii știu atât de multe despre cum se nasc stelele neutronice., Cu toate acestea, exact ceea ce se întâmplă după aceea, în interiorul acestor nuclee ultra-dense, rămâne un mister. Unii cercetători teoretizează că neutronii ar putea domina tot drumul până la centru. Alții presupun că presiunea incredibilă compactează materialul în particule sau stări mai exotice care se strecoară și se deformează în moduri neobișnuite.acum, după decenii de speculații, cercetătorii se apropie de rezolvarea enigmei, în parte datorită unui instrument de pe Stația Spațială Internațională numit Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER).,

în decembrie anul Trecut, acest NASA space observatory furnizate de astronomi cu unele dintre cele mai precise măsurători făcute vreodată de un neutron star masă și radius1,2, precum și concluziile neașteptate despre magnetic field1,3. Echipa NICER intenționează să lanseze rezultate despre mai multe stele în următoarele câteva luni. Alte date vin de la observatoarele cu unde gravitaționale, care pot urmări contortarea stelelor neutronice în timp ce se prăbușesc împreună. Cu aceste observații combinate, cercetătorii sunt pregătiți pentru a vedea ce umple măruntaiele unei stele neutronice.,pentru mulți din domeniu, aceste rezultate marchează un moment de cotitură în studiul unora dintre cele mai năucitoare obiecte din Univers. „Aceasta începe să fie o epocă de aur a fizicii stelelor neutronice”, spune Jürgen Schaffner-Bielich, fizician teoretic la Universitatea Goethe din Frankfurt, Germania.

Lansat în 2017 la bord o racheta SpaceX Falcon 9, US$62 de milioane de euro mai FRUMOS telescop se află în afara stației spațiale și colectează X-raze care vin de la pulsari — stele neutronice care emit particule și energie în enorme coloane care matura în jurul valorii de astfel de grinzi de la un far., Razele X provin de la hotspot-uri de milioane de grade de pe suprafața unui pulsar, unde un câmp magnetic puternic smulge particulele încărcate din exterior și le trântește înapoi la polul magnetic opus.NICER detectează aceste raze X folosind 56 de telescoape acoperite cu aur și marchează sosirea lor în termen de 100 de nanosecunde. Cu această capacitate, cercetătorii pot urmări cu precizie hotspoturile pe măsură ce o stea neutronică se învârte de până la 1,000 de ori pe secundă. Hotspoturile sunt vizibile în timp ce se balansează peste obiect., Dar stelele neutronice deformează spațiul-timp atât de puternic încât NICER detectează, de asemenea, lumina din hotspot-urile orientate departe de pământ. Teoria generală a relativității lui Einstein oferă o modalitate de a calcula raportul masă-rază a unei stele prin cantitatea de îndoire a luminii. Aceasta și alte observații permit astrofizicienilor să fixeze masele și razele stelelor decedate. Aceste două proprietăți ar putea ajuta la determinarea a ceea ce se întâmplă în nuclee.

mister adânc, întunecat

stelele neutronice devin mai complicate cu cât se întâmplă mai adânc., Sub o atmosferă subțire formată în mare parte din hidrogen și heliu, se crede că rămășițele stelare se mândresc cu o crustă exterioară de doar un centimetru sau două grosimi care conține nuclee atomice și electroni în roaming liber. Cercetătorii cred că elementele ionizate devin ambalate împreună în stratul următor, creând o latură în crusta interioară. Chiar și mai jos, presiunea este atât de intensă încât aproape toți protonii se combină cu electronii pentru a se transforma în neutroni, dar ceea ce se întâmplă dincolo de asta este cel mai bine întunecat (vezi „Materia densă”).,

„este un lucru să știi ingrediente”, spune Jocelyn Citit, un astrofizician de la Universitatea de Stat din California, Fullerton. „Este altul pentru a înțelege rețeta și modul în care aceste ingrediente vor interacționa între ele.”

fizicienii au o idee despre ce se întâmplă, datorită acceleratoarelor de particule de pe Pământ., La instalații precum Brookhaven National Laboratory din Upton, New York, și Large Hadron Collider de la CERN de lângă Geneva, Elveția, cercetătorii au distrus împreună ioni grei, cum ar fi cei de plumb și aur, pentru a crea colecții scurte de material monumental dens. Dar aceste experimente cinetice generează flash – uri de miliarde sau chiar trilioane de grade, în care protonii și neutronii se dizolvă într-o supă de cuarci și gluoni constituenți. Instrumentele terestre au dificultăți în a cerceta condițiile relativ ușoare de milioane de grade din interiorul stelelor neutronice.,există mai multe idei despre ce s-ar putea întâmpla. S-ar putea ca quarcii și gluonii să cutreiere liber. Sau, energiile extreme ar putea duce la crearea de particule numite hiperoni. Ca și neutronii, aceste particule conțin trei cuarci. Dar întrucât neutroni conține cele mai de bază și mai scăzută energie, quarci, cunoscut ca quarcii sus si jos, o hyperon are cel puțin unul dintre cei înlocuit cu un exotic „ciudat” quark. O altă posibilitate este ca centrul unei stele neutronice să fie un condensat Bose-Einstein, o stare a materiei în care toate particulele subatomice acționează ca o singură entitate cuantic-mecanică., Și teoreticienii au visat și mai multe perspective ciudate.în mod crucial, fiecare posibilitate ar împinge înapoi într-un mod caracteristic împotriva gravitației colosale a unei stele neutronice. Acestea ar genera presiuni interne diferite și, prin urmare, o rază mai mare sau mai mică pentru o anumită masă. O stea neutronică cu un centru de condens Bose–Einstein, de exemplu, este probabil să aibă o rază mai mică decât cea obținută din material obișnuit, cum ar fi neutronii. Unul cu un miez format din materie hiperonică pliabilă ar putea avea încă o rază mai mică.,

„tipurile de particule și forțele dintre ele afectează cât de moale sau squashy este materialul”, spune Anna Watts, un membru al echipei mai frumos la Universitatea din Amsterdam.diferențierea dintre modele va necesita măsurători precise ale mărimii și masei stelelor neutronice, dar cercetătorii nu au reușit încă să-și împingă tehnicile la niveluri suficient de fine pentru a spune care este cea mai probabilă posibilitate. Ei estimează de obicei masele prin observarea stelelor neutronice în perechi binare., Pe măsură ce obiectele se orbitează unul pe altul, ele se trag gravitațional unul pe celălalt, iar astronomii pot folosi acest lucru pentru a-și determina masele. Aproximativ 35 de stele și-au măsurat masele în acest fel, deși cifrele pot conține bare de eroare de până la o masă solară. O duzină sau cam așa ceva și — au calculat și razele, dar în multe cazuri, tehnicile nu pot determina această valoare la mai mult de câțiva kilometri-la fel de mult ca o cincime din dimensiunea unei stele neutronice.,metoda hotspot a lui NICER a fost folosită de observatorul de raze X XMM-Newton al Agenției Spațiale Europene, care a fost lansat în 1999 și este încă în funcțiune. NICER este de patru ori mai sensibil și are o rezoluție de timp de sute de ori mai bună decât XMM-Newton. În următorii doi-trei ani, echipa se așteaptă să poată folosi NICER pentru a lucra la masele și razele altor șase ținte, fixându-și razele la o jumătate de kilometru., Cu această precizie, grupul va fi bine plasat pentru a începe să traseze ceea ce este cunoscut sub numele de ecuația de stare neutron-stea, care se referă la masă la rază sau, echivalent, la presiunea internă la densitate.dacă oamenii de știință sunt deosebit de norocoși și natura se întâmplă să servească date deosebit de bune, NICER ar putea ajuta la eliminarea anumitor versiuni ale acestei ecuații. Dar majoritatea fizicienilor cred că, pe cont propriu, Observatorul va restrânge probabil mai degrabă decât să excludă complet modelele a ceea ce se întâmplă în nucleele obiectelor misterioase.,

„Acest lucru ar fi în continuare un avans uriaș în ceea ce privește locul în care ne aflăm acum”, spune Watts.prima țintă a lui NICER a fost J0030+0451, un pulsar izolat care se învârte de aproximativ 200 de ori pe secundă și se află la 337 parseci (1,100 ani lumină) de pământ, în constelația Pești.

Două grupuri — unul bazat în primul rând de la Universitatea din Amsterdam1 și altul condus de cercetatorii de la Universitatea din Maryland în Facultate Park2 — separat cernută printr-850 ore de observații, servind ca controalele de pe unul pe altul.,

Pentru hotspot curbe de lumină sunt atât de complexe, grupuri nevoie de supercomputere pentru a modela diverse configurații și de a lucra pe cele care se potrivesc cel mai bine datele. Dar ambele au venit cu rezultate similare, constatând că J0030 are o masă de 1,3 sau 1,4 ori mai mare decât cea a soarelui și o rază de aproximativ 13 kilometri.,

aceste rezultate nu sunt definitive: ele ar putea fi folosite pentru a susține predicțiile lumești sau din alte lumi pentru ceea ce se află în interiorul intestinelor stelelor neutronice. „Nu există nicio cerință pentru nimic funky, nebun sau exotic”, spune Andrew Steiner, astrofizician nuclear la Universitatea din Tennessee, Knoxville.

cercetătorii au avut o surpriză mai mare cu constatările despre forma și poziția hotspoturilor., Vederea canonică a stelelor neutronice are liniile lor de câmp magnetic care arată ca cele care înconjoară un magnet bar, cu laturile de Nord și de Sud ieșind din pete circulare la capetele opuse ale stelei. În schimb, simulările supercomputerului olandez au sugerat că ambele hotspoturi ale lui J0030 se află în emisfera sudică și că una dintre ele este lungă și în formă de semilună.1 Echipa din Maryland a venit, de asemenea, cu posibilitatea unei soluții cu trei puncte: două în formă ovală sudică și un cerc final în apropierea polului sudic rotativ3.,

„se pare că ar fi putut face prima detectare reală a unui pulsar în care grinzile nu sunt separate la 180 de grade”, spune Natalie Webb, astrofizică la Institutul de cercetare în astrofizică și planetologie din Toulouse, Franța, care a modelat astfel de posibilități. „Este fantastic dacă este adevărat.rezultatele ar susține observațiile și teoriile anterioare care sugerează că câmpurile magnetice ale stelelor neutronice, care sunt de un trilion de ori mai puternice decât cele ale soarelui, pot fi mai complexe decât se presupune în general., După ce se formează pentru prima dată, se crede că pulsarii își încetinesc rotația de-a lungul a milioane de ani. Dar dacă au o stea însoțitoare care orbitează în jurul lor, ar putea fura material și impuls unghiular de la acest partener, sporind rotirea lor la viteze super-rapide. Pe măsură ce materia se depune pe exteriorul stelei, unii teoreticieni sugerează că ar putea afecta un strat fluid de neutroni subterani, generând vârtejuri gigantice care răsucesc câmpul magnetic al stelei neutronice în aranjamente ciudate., Însoțitorul ar putea fi în cele din urmă consumat sau pierde atât de multă masă încât devine gravitațional nelegat și zboară, așa cum s-ar fi putut întâmpla cu J0030 acum solitar.NICER continuă să observe J0030 pentru a îmbunătăți în continuare precizia măsurătorilor razei sale. În același timp, echipa începe să analizeze datele de la o a doua țintă, un pulsar ușor mai greu cu un companion pitic alb., Alți astronomi au folosit observații ale dansului orbital al acestei perechi pentru a determina masa pulsarului, ceea ce înseamnă că cercetătorii mai buni au o măsurare independentă pe care o pot folosi pentru a-și valida descoperirile.NICER, care preia razele X folosind 56 de telescoape acoperite cu aur, este instalat pe exteriorul Stației Spațiale Internaționale.,Credit: NASA

Printre mai FRUMOS e obiective, echipa intenționează să includă cel puțin o pereche de high-masa pulsari, inclusiv actualul detinator al recordului pentru cele mai masive stele neutronice — un gigant cu o masă 2.14 ori cea a Soarelui. Acest lucru ar trebui să permită cercetătorilor să sondeze o limită superioară: punctul în care o stea neutronică se prăbușește într-o gaură neagră. Chiar și obiectul de masă solară de 2,14 este o provocare pentru teoreticieni să explice. Mai mulți cercetători au sugerat, de asemenea, că NICER ar putea găsi două stele neutronice cu aceeași masă, dar cu raze diferite., Acest lucru ar sugera prezența unui punct de tranziție, la care mici diferențe creează două nuclee distincte. Unul ar putea conține în mare parte neutroni, de exemplu, iar celălalt ar putea fi compus din material mai exotic.deși NICER este la avangardă, nu este singurul instrument de plombare a pulsarilor. În 2017, NE Interferometru cu Laser Gravitational-Wave Observatory (LIGO), împreună cu Fecioara detector în Italia, a luat semnalul de două stele neutronice crashing și fuzionarea together4., Pe măsură ce obiectele se roteau unul în jurul celuilalt înainte de prăbușire, ele emiteau unde gravitaționale care conțineau informații despre dimensiunea și structura stelelor. Influența gravitațională colosală a fiecărei stele și-a deformat partenerul, contorsionând ambele sfere în forme de lacrimă. Cantitatea de distorsiune din acele momente finale oferă Fizicienilor indicii despre maleabilitatea materialului din interiorul stelelor neutronice.facilitatea LIGO Din Livingston, Louisiana, a luat o a doua spargere a stelelor neutronice în aprilie trecută, iar mai multe evenimente ar putea fi văzute în orice moment., Până în prezent, cele două fuziuni au sugerat doar proprietățile interioarelor cu stele neutronice, sugerând că acestea nu sunt deosebit de deformabile. Dar actuala generație de instalații nu poate observa momentele finale cruciale, când deformarea ar fi cea mai mare și ar afișa condițiile interne cel mai clar.

Kamioka Gravitațională Val Detector în Hida, Japonia, este de așteptat să vină on-line mai târziu în acest an, și la Indian Inițiativă în Gravitational-wave Observațiile lângă Aundha Naganath, Când, în 2024., În combinație cu LIGO și Fecioara, ele vor îmbunătăți sensibilitatea, eventual chiar surprinzând detaliile momentelor care au dus la un accident.privind mai departe în viitor, mai multe instrumente planificate ar putea face observații care să eludeze observatoarele de unde gravitaționale mai frumoase și actuale. Un Chinez–Europene satelit numit îmbunătățită X-ray de Distribuție și Polarimetrie misiune, sau eXTP, este de așteptat să lanseze în 2027 și de a studia atât izolat, cât și binar de stele neutronice pentru a ajuta la determinarea lor ecuație de stare., Cercetătorii au propus, de asemenea, o misiune spațială care ar putea zbura în anii 2030, numită Observatorul Spectroscopic de rezolvare a timpului pentru raze X de energie în bandă largă sau STROBE-X. ar folosi tehnica hotspot a lui NICER, fixând masele și razele a cel puțin 20 de stele neutronice cu și mai multă precizie.inimile stelelor neutronice vor păstra probabil întotdeauna unele secrete. Dar fizicienii par acum bine plasați pentru a începe să desprindă straturile., Citit, care este un membru al LIGO echipei, spune că a colaborat la un proiect să-și imagineze ce întrebări științifice gravitational-wave detectoare ar fi în măsură să abordeze în 2030 și 2040s. În acest proces, ea a dat seama că peisajul pentru neutron star de cercetare — în special, problema de ecuația de stat ar trebui să arate foarte diferit de atunci.

„a fost acest puzzle de lungă durată pe care îl credeți că va fi întotdeauna acolo”, spune ea. „Acum suntem într-un punct în care pot vedea comunitatea științifică imaginind puzzle-ul structurii neutron-stea în acest deceniu.