Gravitační vlny vrhají světlo na neutronové hvězdné interiéry

Detekce gravitační vlny minulého roku sloučení neutronových hvězd odhalila podrobnosti o struktuře neutronových hvězd a vyloučila exotickou kvarkovou hmotu v jádrech objektů.

Umělcova ilustrace finálních fází fúze neutronových hvězd.
Vesmírné letové středisko NASA / Goddard

Dvojice nezávislých studií přináší nová omezení velikosti neutronových hvězd, což naznačuje, že jejich poloměr není větší než 14 kilometrů (8, 6 mil). To je asi dvojnásobek délky pásu v Las Vegas. Tento limit velikosti je o něco větší než předchozí odhady, což naznačuje, že neutronové hvězdy by mohly být méně exotické, než se dříve myslelo.

Neutronové hvězdy jsou husté hvězdné zbytky výbuchů supernovy. V malém poloměru obsahují hmotu asi 1, 4krát větší než slunce. Extrémní hustoty a tlaky rozlévají elektrony do atomových jader, jejich protony a elektrony na oběžné dráze se spojují do neutronů, takže neutronové hvězdy jsou většinou tvořeny neutrony. Ale existuje možnost, že hustota jejich jader by mohla být tak vysoká, rozkládá hmotu na ještě menší částice, jako jsou kvarky.

Jak vysvětlil astrofyzik Feryal zel (University of Arizona) v červenci 2017 ve vydání časopisu Sky & Telescope, pro velikost neutronových hvězd opravdu záleží - čím menší je hvězda, tím vyšší je její hustota jádra. Předchozí měření ukázala na maximální poloměr neutronové hvězdy mezi 10 a 11 km. To nemusí znít velmi odlišně od 14 km, ale stačilo by zvýšit centrální hustotu o více než dva činitele. „To stačí, aby to mělo hluboký vliv na míru odporu, který částice zažívají, “ napsal Özel, což by představilo možnost jádra naplněného kvarkem.

Nové velikosti neutronových hvězd, zveřejněné ve dvou článcích, které se objevily v 25. dubnu o fyzickém přezkumu, jsou založeny na detekci gravitačních vln LIGO / Virgo z páru neutronových hvězd, které se spojily ve vzdálenosti 130 milionů světelných let. Masivní objekty, jako jsou černé díry a neutronové hvězdy, emitují tyto vlnky v časoprostoru, když se pohybují vesmírem. Gravitační vlny pozorované při srážce neutronových hvězd sloužily jako sonda struktury objektů. Přestože oba dokumenty používaly různé přístupy, vypočítaly pro neutronové hvězdy zhruba stejnou maximální velikost: Eemeli Annala (Helsinská univerzita, Finsko) vedla studii, která ji omezila na 13, 6 km, zatímco Farrukh J. Fattoyev (Indiana University) a kolegové omezil to na 13, 76 km.

Neutronové hvězdy v laboratoři

Neutronová hvězda
Casey Reed / Penn State University

Vzhledem k jejich extrémně vysoké hustotě si astronomové nejsou jisti, jak neutronové hvězdy vypadají uvnitř. Některé z jejich myšlenek jsou založeny na jaderné fyzice, zatímco koncept kvarkové hmoty je založen na fyzice vysokoenergetických částic. Různé přístupy mohou poskytnout různé předpovědi o vnitřní struktuře neutronových hvězd.

Pokusy na Large Hadron Collider (LHC) v CERN a Relativistic Heavy Ion Collider v Brookhaven National Laboratory dávají představu o tom, jak by neutronová hvězda mohla vypadat ve svém jádru. Vědci v těchto institucích rozbijí olověné ionty blízko rychlosti světla, aby vytvořili vysoké teploty, které rozkládají protony a neutrony na kvark-gluonovou plazmu,

„Tyto srážky vytvářejí iontově velké kapičky hmoty tak husté, že se roztaví struktura protonů a neutronů, a my na chvíli zůstáváme s malou kapičkou kvarkové hmoty, “ říká teoretická fyzika Aleksi Kurkela (CERN), Annala's spoluautor. „Myslíme si, že tato horká kvark-gluonová plazma úzce souvisí s„ chladnou “kvarkovou hmotou, kterou můžeme najít v jádrech neutronových hvězd. Studiem vlastností kvark-gluonové plazmy se snažíme naučit a odvodit, co je děje se v jádrech neutronových hvězd. “

Pokud neutronové hvězdy produkují ve svých centrech kvarky, mohou podstoupit fázovou změnu. "Mohli bychom to případně pozorovat." . . neutronové hvězdy s podobnými hmotami, ale s docela odlišnými poloměry, "vysvětluje Kurkela." Pak by interpretace byla taková, že jedna s větším poloměrem by byla vyrobena z tuhšího materiálu, pravděpodobně neutronové hmoty. Ten menší by byl vyroben nebo alespoň by měl jádro vyrobené z měkčího materiálu, který by mohl být kvarková hmota. “

„I když naše současné teorie poskytují velmi dobrý popis husté hmoty při jaderných hustotách, jejich predikce se výrazně liší, když se extrapolují na super jaderné hustoty, “ dodává Fattoyev (Indiana University).

Některá pozorování LIGO se neshodují s tím, co vědci dříve teoretizovali, konkrétně s ohledem na typy látek nalezených uvnitř neutronových hvězd, říká Kurkela.

Od tvaru k velikosti

Koncepce tohoto umělce zobrazuje dvě neutronové hvězdy v okamžiku srážky.
Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc.

Jelikož se dvě neutronové hvězdy vzájemně krouží, vytvářejí jejich gravitační pole ve svém partnerovi přílivové síly . Výsledkem je, že obě neutronové hvězdy se protahují a úhledně se deformují do podoby připomínající ragbyovou kouli, vysvětluje Kurkela.

Tvary neutronových hvězd ukazují, z čeho jsou vyrobeny. Pokud by hmota uvnitř neutronových hvězd byla měkká, to znamená, že by kromě neutronů obsahovala kvarky, LIGO by pozorovalo deformaci neutronových hvězd. Ale pozorování LIGO těmto teoriím neodpovídají. Podle Kurkela však práce LIGO ukázala, že neutronové hvězdy byly jako tvrdé, nepochopitelné koule, i když se navzájem spojily, což znamená, že ve svých jádrech obsahují pouze neutrony. Výsledky umožnily vyšetřovatelům vyloučit existenci kvarků uvnitř neutronových hvězd.

Vědci budou potřebovat více pozorování gravitační vlnou, aby potvrdili, co LIGO viděl. Navíc, protože srážky neutronových hvězd generují kromě gravitačních vln také světlo, vědci doufají, že získají více informací o složení pomocí následných rentgenových pozorování, například od průzkumníka vnitřního složení neutronových hvězd (NICER) posazeného na Mezinárodní vesmírné stanici.