Den gyllene åldern för neutronstjärnfysik har anlänt

När en massiv stjärna dör i en supernova är explosionen bara början på slutet. Det mesta av stjärnmaterialet kastas långt och brett, men stjärnans järnfyllda hjärta förblir bakom. Denna kärna packar lika mycket massa som två Solar och krymper snabbt till en sfär som skulle sträcka sig över Manhattan. Krossning inre tryck-tillräckligt för att pressa Mount Everest till storleken på en sockerbit-säkringar subatomiska protoner och elektroner till neutroner.

astronomer vet så mycket om hur neutronstjärnor föds., Men exakt vad som händer efteråt, inuti dessa ultra-täta kärnor, är fortfarande ett mysterium. Vissa forskare teoretiserar att neutroner kan dominera hela vägen ner till centrum. Andra hypoteser att det otroliga trycket komprimerar materialet till mer exotiska partiklar eller säger att squish och deformeras på ovanliga sätt.

nu, efter årtionden av spekulation, kommer Forskare närmare att lösa enigma, delvis tack vare ett instrument på den internationella rymdstationen kallad Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER).,

i December förra året gav NASA: s rymdobservatorium astronomer några av de mest exakta mätningar som någonsin gjorts av en neutronstjärnas massa och radius1, 2,samt oväntade fynd om dess magnetfält1, 3. Det trevligare laget planerar att släppa resultat om fler stjärnor under de närmaste månaderna. Andra data kommer in från gravitationsvågsobservatorier, som kan titta på neutronstjärnor som de kraschar tillsammans. Med dessa kombinerade observationer är forskare redo att nollställa vad som fyller inälvorna i en neutronstjärna.,

För många i fältet markerar dessa resultat en vändpunkt i studien av några av universums mest förvirrande objekt. ”Detta börjar bli en guldålder av neutronstjärnfysik”, säger Jürgen Schaffner-Bielich, en teoretisk fysiker vid Goethe-universitetet i Frankfurt, Tyskland.

lanserades 2017 ombord på en SpaceX Falcon 9 raket, US$62-miljoner trevligare teleskop sitter utanför rymdstationen och samlar röntgenstrålar som kommer från pulsars-spinning neutron stjärnor som utstrålar laddade partiklar och energi i enorma kolumner som sopa runt som strålar från en fyr., Röntgenstrålarna kommer från miljoner graders hotspots på en pulsars yta, där ett kraftfullt magnetfält rippar laddade partiklar från utsidan och slår dem tillbaka ner vid den motsatta magnetiska polen.

NICER upptäcker dessa röntgenstrålar med hjälp av 56 guld-belagda teleskop, och tidsstämplar deras ankomst till inom 100 nanosekunder. Med denna förmåga kan forskare exakt spåra hotspots som en neutronstjärna piska runt på upp till 1000 gånger per sekund. Hotspots är synliga när de svänger över objektet., Men neutronstjärnor warp rymdtid så starkt att trevligare också upptäcker ljus från hotspots vända bort från jorden. Einsteins allmänna relativitetsteori ger ett sätt att beräkna en stjärnans mass-till-radie-förhållande genom mängden ljusböjning. Det och andra observationer gör det möjligt för astrofysiker att klämma ner massorna och radierna hos de avlidna stjärnorna. Dessa två egenskaper kan hjälpa till att bestämma vad som händer i kärnorna.

djupt, mörkt mysterium

neutronstjärnor blir mer komplicerade desto djupare går., Under en tunn atmosfär gjord mestadels av väte och helium tros stjärnrester skryta med en yttre skorpa bara en centimeter eller två tjocka som innehåller atomkärnor och friroamingelektroner. Forskare tror att de joniserade elementen blir packade ihop i nästa lager och skapar en gitter i den inre skorpan. Ännu längre ner är trycket så intensivt att nästan alla protoner kombinerar med elektroner för att bli neutroner, men det som sker bortom det är skumt i bästa fall (se ”tät materia”).,

”det är en sak att känna till ingredienserna”, säger Jocelyn Read, en astrofysiker vid California State University, Fullerton. ”Det är en annan att förstå receptet, och hur dessa ingredienser kommer att interagera med varandra.”

fysiker har en uppfattning om vad som händer tack vare partikelacceleratorer på jorden., På anläggningar som Brookhaven National Laboratory i Upton, New York och CERNs stora Hadron Collider nära Genève, Schweiz har forskare krossat tunga joner, såsom bly och guld, för att skapa korta samlingar av monumentalt tätt material. Men dessa kinetiska experiment genererar miljarder-eller till och med biljoner graders blinkar, där protoner och neutroner löses upp i en soppa av deras beståndsdelar kvarkar och gluoner. Terrestriala instrument har svårt att undersöka de relativt milda million-of-graders förhållandena inuti neutronstjärnor.,

det finns flera idéer om vad som kan inträffa. Det kan vara att kvarkar och gluoner strömmar fritt. Eller de extrema energierna kan leda till skapandet av partiklar som kallas hyperoner. Liksom neutroner innehåller dessa partiklar tre kvarkar. Men medan neutroner innehåller de mest grundläggande och lägsta energikvarkarna, kända som upp och ner kvarkar, har en hyperon minst en av dem ersatt med en exotisk ”konstig” kvark. En annan möjlighet är att Centrum för en neutronstjärna är ett Bose-Einstein-kondensat, ett tillstånd av materia där alla subatomiska partiklar fungerar som en enda kvantmekanisk enhet., Och teoretiker har drömt upp ännu mer outlandish framtidsutsikter också.

avgörande skulle varje möjlighet trycka tillbaka på ett karakteristiskt sätt mot en neutronstjärnas kolossala gravitation. De skulle generera olika interna tryck och därmed en större eller mindre radie för en given massa. En neutronstjärna med exempelvis ett Bose-Einsteins kondensatcentrum kommer sannolikt att ha en mindre radie än en tillverkad av vanligt material som neutroner. En med en kärna gjord av smidig hyperon materia kan ha en mindre radie fortfarande.,

”partiklarna och krafterna mellan dem påverkar hur mjukt eller squashy materialet är”, säger Anna Watts, en trevligare teammedlem vid universitetet i Amsterdam.

differentiering mellan modellerna kommer att kräva exakta mätningar av neutronstjärnornas storlek och massa, men forskare har ännu inte kunnat driva sina tekniker till tillräckligt bra nivåer för att säga vilken möjlighet som är mest sannolikt. De uppskattar vanligtvis massor genom att observera neutronstjärnor i binära par., När föremålen omloppsbana varandra, de bogserar gravitationsmässigt på varandra, och astronomer kan använda detta för att bestämma deras massor. Ungefär 35 stjärnor har fått sina massor uppmätta på detta sätt, även om siffrorna kan innehålla felstänger på upp till en solmassa. Bara ett dussin eller så har också fått sina radier beräknade, men i många fall kan teknikerna inte bestämma detta värde till bättre än några kilometer – så mycket som en femtedel av storleken på en neutronstjärna.,

NICER ’ s hotspot-metod har använts av Europeiska rymdbyråns XMM-Newton-röntgenobservatorium, som lanserades 1999 och fortfarande är i drift. Trevligare är fyra gånger känsligare och har hundratals gånger bättre tidsupplösning än XMM-Newton. Under de närmaste två till tre åren förväntar sig laget att kunna använda trevligare för att träna massorna och radierna av ytterligare ett halvt dussin mål och sätta ner sina radier till inom en halv kilometer., Med denna precision kommer gruppen att vara väl placerad för att börja rita ut vad som är känt som neutronstjärnans ekvation, som relaterar massa till radie eller likvärdigt inre tryck till densitet.

om forskare är särskilt lyckliga och naturen råkar tjäna upp särskilt bra data, kan trevligare hjälpa till att eliminera vissa versioner av denna ekvation. Men de flesta fysiker tror att observatoriet på egen hand förmodligen kommer att begränsa sig snarare än att helt utesluta modeller av vad som händer i de mystiska objektens kärnor.,

”detta skulle fortfarande vara ett stort framsteg på var vi är nu”, säger Watts.

fältlinjerna

TREVLIGARE: s första mål var J0030+0451, en isolerad pulsar som snurrar omkring 200 gånger per sekund och är 337 parsek (1,100 ljusår från Jorden i stjärnbilden Fiskarna.

två grupper-en baserad främst vid University of Amsterdam1 och en annan ledd av forskare vid University of Maryland i College Park2 — siktas separat genom 850 timmars observationer, som fungerar som kontroller på varandra.,

eftersom hotspot-ljuskurvorna är så komplexa behövde grupperna superdatorer för att modellera olika konfigurationer och räkna ut vilka som bäst passar data. Men båda kom med liknande resultat och fann att J0030 har en massa som är 1,3 eller 1,4 gånger solens och en radie på ungefär 13 kilometer.,

dessa resultat är inte definitiva: de kan användas för att stödja antingen de vardagliga eller de andra världsliga förutsägelserna för vad som finns inuti neutronstjärnornas tarmar. ”Det finns inget krav på något funky eller galet eller exotiskt än”, säger Andrew Steiner, en nukleär astrofysiker vid University of Tennessee, Knoxville.

forskare fick en större överraskning med resultat om hotspotsens form och position., Den kanoniska bilden av neutronstjärnor har sina magnetfältlinjer som ser ut som de som omger en barmagnet, med norra och Södra sidor som kommer från cirkulära fläckar vid stjärnans motsatta ändar. Däremot innebar de nederländska superdatorsimuleringarna att båda J0030s hotspots ligger på södra halvklotet, och att en av dem är lång och halvmåneformad1. Marylands lag kom också fram med möjligheten till en tre-hotspot-lösning: två sydliga ovala och en sista cirkel nära den roterande södra pole3.,

”det ser ut som de kan ha gjort den första verkliga upptäckten av en pulsar där strålarna inte är 180 grader separerade”, säger Natalie Webb, en astrofysiker vid Institutet för forskning inom astrofysik och planetologi i Toulouse, Frankrike, som har modellerat sådana möjligheter. ”Det är fantastiskt om det är sant.”

resultaten skulle stärka tidigare observationer och teorier som tyder på att neutronstjärnornas magnetfält, som är en biljon gånger starkare än solens, kan vara mer komplexa än vad som allmänt antas., Efter att de första formen tros pulsarer sakta sin rotation över miljontals år. Men om de har en följeslagare stjärna som kretsar runt dem, kan de stjäla material och vinkelmoment från denna partner, vilket ökar deras spinning till supersnabba hastigheter. När saken deponeras på stjärnans yttre, föreslår vissa teoretiker att det kan påverka ett vätskeliknande lager av neutroner under ytan, vilket genererar gigantiska virvlar som vrider neutronstjärnans magnetfält i udda arrangemang., Följeslagaren kan slutligen konsumeras eller förlora så mycket massa att det blir gravitationellt obundet och flyger bort, vilket kunde ha varit fallet med den nu ensamma J0030.

pågående arbete

NICER fortsätter att observera J0030 för att ytterligare förbättra precisionen i sina radiemätningar. Samtidigt börjar laget analysera data från ett andra mål, en något tyngre pulsar med en vit dvärg följeslagare., Andra astronomer har använt observationer av detta pars orbitaldans för att bestämma pulsars massa, vilket innebär att trevligare forskare har en oberoende mätning som de kan använda för att validera sina resultat.

bland trevligare mål planerar laget att inkludera minst ett par högmasspulsar, inklusive den nuvarande rekordhållaren för de flesta massiva neutronstjärnan-en behemoth med en massa 2,14 gånger solens. Det borde göra det möjligt för forskarna att sondera en övre gräns: den punkt där en neutronstjärna kollapsar i ett svart hål. Även 2.14-solar-massobjektet är utmanande för teoretiker att förklara. Flera forskare har också föreslagit att trevligare skulle kunna hitta två neutronstjärnor med samma massa men olika radier., Det skulle föreslå närvaron av en övergångspunkt, vid vilken små skillnader skapar två distinkta kärnor. Man kan till exempel innehålla mestadels neutroner, och den andra kan bestå av mer exotiskt material.

även om trevligare är i spetsen, är det inte det enda instrumentet VVS pulsars djup. I 2017, USA Laser Interferometer Gravitationella-Våg Observatory (LIGO), tillsammans med Jungfrun detektorn i Italien, plockade upp signalen från två neutronstjärnor kraschar och sammanslagning together4., När föremålen roterade runt varandra före kraschen, släppte de gravitationsvågor som innehöll information om Stjärnornas storlek och struktur. Varje stjärnans kolossala gravitationspåverkan drog på sig och deformerade sin partner och kontaktade både från sfärer till teardrop-former. Mängden distorsion i de sista stunderna ger fysiker ledtrådar om materialets formbarhet inuti neutronstjärnorna.

ligos anläggning i Livingston, Louisiana, plockade upp en andra neutronstjärnan smash-up i April förra året, och fler händelser kunde ses när som helst., Hittills har de två fusionerna bara antytt egenskaperna hos neutronstjärniga interiörer, vilket tyder på att de inte är särskilt deformerbara. Men den nuvarande generationen av anläggningar kan inte observera de avgörande sista ögonblicken, när varpningen skulle vara störst och skulle visa interna förhållanden tydligast.

Kamioka Gravitationsvågdetektorn i Hida, Japan, förväntas komma online senare i år, och det indiska initiativet i Gravitationsvågsobservationer nära Aundha Naganath, Marathwada, i 2024., I kombination med LIGO och Virgo kommer de att förbättra känsligheten, eventuellt till och med fånga detaljerna i stunderna som leder fram till en krasch.

om man tittar längre in i framtiden kan flera planerade instrument göra observationer som undviker trevligare och nuvarande gravitationsvågobservatorier. En kinesisk-Europeisk satellit som kallas den förbättrade röntgen Timing och Polarimetri mission, eller eXTP, förväntas lansera i 2027 och studera både isolerade och binära neutronstjärnor för att bestämma deras ekvation av staten., Forskare har också föreslagit ett rymdbaserat uppdrag som kan flyga på 2030-talet som kallas det spektroskopiska Tidslösningsobservatoriet för Bredbandsenergiröntgen eller STROBE-X. Det skulle använda TREVERS hotspot-teknik, sätta ner massorna och radierna på minst 20 fler neutronstjärnor med ännu mer precision.

neutronstjärnornas hjärtan kommer förmodligen alltid att behålla några hemligheter. Men fysiker verkar nu väl placerade för att börja peeling tillbaka lagren., Read, som är medlem i LIGO-laget, säger att hon har samarbetat på ett projekt för att föreställa sig vilka vetenskapliga frågor gravitationsvågdetektorer skulle kunna ta itu med på 2030-talet och 2040-talet. i processen insåg hon att landskapet för neutronstjärnforskning-i synnerhet frågan om statens ekvation — skulle se väldigt annorlunda ut då.

”det har varit detta långvariga pussel som du räknar kommer alltid att vara där”, säger hon. ”Nu är vi på en punkt där jag kan se det vetenskapliga samfundet räkna ut neutronstjärnstrukturpusslet inom detta decennium.