NASAs NICER undersøger neutronstjernernes sammenklemning

Stof i neutronstjernernes hjerter - tætte rester af eksploderede massive stjerner - antager den mest ekstreme form, vi kan måle. Nu, takket være data fra NASAs neutronstjerne Interior Composition Explorer (NICER), et røntgenteleskop på den internationale rumstation, forskere har opdaget, at denne mystiske sag er mindre klembar end nogle fysikere forudsagde.

Fundet er baseret på NICERs observationer af PSR J0740+6620 (forkortet J0740), den mest massive kendte neutronstjerne, som ligger over 3, 600 lysår væk i det nordlige stjernebillede Camelopardalis. J0740 er i et dobbeltstjernesystem med en hvid dværg, den kølende rest af en sollignende stjerne, og roterer 346 gange i sekundet. Tidligere observationer placerer neutronstjernens masse til omkring 2,1 gange Solens.

"Vi er omgivet af normal materie, tingene af vores daglige oplevelse, men der er meget, vi ikke ved om, hvordan materien opfører sig, og hvordan det forvandles, under ekstreme forhold, " sagde Zaven Arzoumanian, den NICER videnskabsleder ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Ved at måle størrelsen og massen af ​​neutronstjerner med NICER, vi udforsker stof på randen af ​​at implodere i et sort hul. Når det først sker, vi kan ikke længere studere stof, fordi det er skjult af det sorte huls begivenhedshorisont."

Arzoumanian og medlemmer af NICER-teamet præsenterede deres resultater lørdag, 17. april, ved et virtuelt møde i American Physical Society, og artikler, der beskriver resultaterne og deres implikationer, gennemgår nu videnskabelig gennemgang.

I slutningen af ​​sit liv, en stjerne mange gange tungere end Solen løber tør for brændstof i sin kerne, kollapser under sin egen vægt, og bryder ud i en supernova. De tungeste af disse eksploderende stjerner efterlader sorte huller. Lettere føder neutronstjerner, som samler mere masse end Solen i en kugle omtrent lige så bred som New York Citys Manhattan Island er lang.

Forskere mener, at neutronstjerner er lagdelte. Ved overfladen, en tynd atmosfære af brint- eller heliumatomer hviler på en fast skorpe af tungere atomer. I skorpen, den hurtige stigning i tryk fjerner elektroner fra atomkerner. Dybere nede, i den ydre kerne, kernerne splittes i neutroner og protoner. Det enorme tryk knuser protoner og elektroner sammen for at danne et hav af for det meste neutroner, der til sidst pakkes sammen med op til dobbelt tæthed af en atomkerne.

Men hvilken form antager materien i den indre kerne? Er det neutroner helt nede, eller bryder neutronerne i deres egne bestanddele, kaldes kvarker?

Fysikere har stillet dette spørgsmål, siden Walter Baade og Fritz Zwicky foreslog eksistensen af ​​neutronstjerner i 1934. For at besvare det, astronomer har brug for præcise målinger af både størrelsen og masserne af disse objekter. Dette giver dem mulighed for at beregne forholdet mellem tryk og tæthed i stjernens indre kerne og evaluere stoffets ultimative klembarhed.

I traditionelle modeller af en typisk neutronstjerne, en med omkring 1,4 gange Solens masse, fysikere forventer, at den indre kerne for det meste er fyldt med neutroner. Den lavere tæthed sikrer, at neutroner forbliver langt nok fra hinanden til at forblive intakte, og denne indre stivhed resulterer i en større stjerne.

I mere massive neutronstjerner som J0740, den indre kernes tæthed er meget højere, knuser neutronerne tættere sammen. Det er uklart, om neutroner kan forblive intakte under disse forhold, eller om de i stedet nedbrydes til kvarker. Teoretikere formoder, at de knuses under presset, men mange spørgsmål om detaljerne er tilbage. For at få svar, forskere har brug for en præcis størrelsesmåling for en massiv neutronstjerne. En mindre stjerne ville favorisere scenarier, hvor kvarker strejfer frit i de inderste dybder, fordi de mindste partikler kan pakkes tættere. En større stjerne ville antyde tilstedeværelsen af ​​mere komplekse former for stof.

For at få de nødvendige præcise mål, NICER observerer hurtigt roterende neutronstjerner kaldet pulsarer, opdaget i 1967 af Jocelyn Bell Burnell. Lyse, Røntgenstråleudsendende varme pletter dannes på overfladerne af disse objekter. Når pulsarerne roterer, deres pletter snurrer ind og ud af synet som bjælker fra et fyrtårn, producerer regelmæssige variationer i deres røntgenlysstyrke.

Men pulsarer er også så tætte, at deres tyngdekraft fordrejer nærliggende rumtid, som en bowlingkugle, der hviler på en trampolin. Denne forvrængning er stærk nok til, at den får lys fra stjernens anden side – lys vi ellers ikke kunne registrere – til at blive omdirigeret mod os, hvilket får pulsaren til at se større ud, end den i virkeligheden er. Den samme masse i en mindre pakke giver større forvrængning. Denne effekt kan være så intens, at den kan forhindre de varme pletter i at forsvinde fuldstændigt, når de roterer rundt om pulsaren.

Forskere kan drage fordel af disse effekter, fordi NICER måler ankomsten af ​​hver røntgenstråle til bedre end 100 nanosekunder. Ved at spore, hvordan pulsarens røntgenlysstyrke varierer, mens den drejer, videnskabsmænd kan rekonstruere, hvor meget det forvrænger rum-tid. Da de kender dens masse, de kan omsætte denne forvrængning til en størrelse.

To hold brugte forskellige tilgange til model J0740's størrelse. En gruppe ledet af Thomas Riley og Anna Watts - en postdoc-forsker og professor i astrofysik ved Universitetet i Amsterdam, henholdsvis – estimer, at pulsaren er omkring 15,4 miles (24,8 kilometer) på tværs. Et hold ledet af Cole Miller, en professor i astronomi ved University of Maryland, College Park, fandt J0740 at være omkring 17 miles (27,4 kilometer) bred. De to resultater overlapper betydeligt inden for deres usikkerheder, spænder fra 14,2 til 17 miles (22,8 til 27,4 kilometer) og 15,2 til 20,2 miles (24,4 til 32,6 kilometer), henholdsvis.

Ud over PÆNERE data, begge grupper inkluderede også røntgenobservationer fra den europæiske rumfartsorganisations XMM-Newton-satellit, der var nyttige til at tage højde for baggrundsstøj. J0740's masse blev tidligere bestemt af radiomålinger foretaget af forskere fra det nordamerikanske Nanohertz-observatorium for gravitationsbølger og canadiske brintintensitetskortlægningseksperimenter.

I 2019, Riley og Millers hold brugte NICER data til at estimere både størrelsen og massen af ​​pulsar J0030+0451 (eller J0030). De fastslog, at objektet var omkring 1,4 gange Solens masse og 16 miles (26 kilometer) på tværs.

"Vores nye målinger af J0740 viser, at selvom den er næsten 50 % mere massiv end J0030, det er stort set samme størrelse, " sagde Watts. "Det udfordrer nogle af de mere klembare modeller af neutronstjernekerner, inklusive versioner, hvor interiøret blot er et hav af kvarker. J0740's størrelse og masse udgør også problemer for nogle mindre klembare modeller, der kun indeholder neutroner og protoner."

Nyere teoretiske modeller foreslår nogle alternativer, såsom indre kerner, der indeholder en blanding af neutroner, protoner, og eksotisk stof lavet af kvarker eller nye kombinationer af kvarker. Men alle muligheder skal revurderes i forbindelse med denne nye information fra NICER.

"J0740's størrelse gør os teoretikere forvirrede og begejstrede, " sagde Sanjay Reddy, en professor i fysik ved University of Washington, der studerer stof under ekstreme forhold, men som ikke var involveret i fundet. "NICERs målinger, kombineret med andre multimessenger observationer, synes at understøtte ideen om, at trykket stiger hurtigt i massive neutronstjernekerner. Mens dette disfavorer overgange til mere klembare former for stof i kernen, dets implikationer er endnu ikke fuldt ud forstået."

Millers team har også bestemt, hvor godt videnskabsmænd kan estimere størrelsen af ​​en pulsar, ved at bruge NICERs J0740 og J0030 målinger til at supplere eksisterende information fra andre tunge pulsarer og gravitationsbølgehændelser, rum-tids krusninger genereret af kollisioner af massive objekter som neutronstjerner og sorte huller.

"Vi kender nu radius af en standard neutronstjerne, med 1,4 gange Solens masse, inden for en usikkerhed på 5 %, " sagde Miller. "Det er ligesom at kende størrelsen på Washington, D.C., inden for omkring en kvart mil. NICER omskriver ikke kun lærebøgerne om neutronstjerner, men revolutionerer også vores tillid til vores målinger af objekter, der er både meget fjerne og meget små."

Ud over at teste stoffets grænser, neutronstjerner tilbyder også et nyt middel til at udforske det store rum. I 2018, et hold af videnskabsmænd og NASA-ingeniører brugte NICER til at demonstrere, for første gang, fuldstændig autonom navigation i rummet ved hjælp af pulsarer, som kunne revolutionere vores evne til at pilotere robot-rumfartøjer til det fjerne af solsystemet og videre.

"NICER var en fantastisk besætningskammerat, " sagde NASA-astronaut Christina Koch, som tjente som flyveingeniør på rumstationen fra marts 2019 til februar 2020, sætter rekorden for den længste enkelte rumflyvning af en kvinde. "Missionen eksemplificerer alle de bedste aspekter af stationsforskning. Det er banebrydende grundlæggende videnskab, rumvidenskab, og teknologisk innovation, alt sammen muliggjort af det unikke miljø og platform i et kredsløbslaboratorium."