Hvor massive kan neutronstjerner være?

Astrofysikere ved Goethe Universitetet i Frankfurt sætter en ny grænse for neutronstjernernes maksimale masse:De må ikke overstige 2,16 solmasser.

Siden deres opdagelse i 1960'erne, forskere har forsøgt at besvare et vigtigt spørgsmål:Hvor massive kan neutronstjerner egentlig blive? I modsætning til sorte huller, disse stjerner kan ikke vinde i masse vilkårligt; forbi en vis grænse er der ingen fysisk kraft i naturen, der kan modvirke deres enorme tyngdekraft. For første gang, Det er lykkedes astrofysikere ved Goethe-Universitetet i Frankfurt at beregne en streng øvre grænse for neutronstjernernes maksimale masse.

Med en radius på omkring 12 kilometer og en masse, der kan være dobbelt så stor som solens, neutronstjerner er blandt de tætteste objekter i universet, producerer gravitationsfelter, der kan sammenlignes med sorte hullers. Mens de fleste neutronstjerner har en masse på omkring 1,4 gange solens, massive eksempler kendes også, såsom pulsaren PSR J0348+0432 med 2,01 solmasser.

Tætheden af ​​disse stjerner er enorm, som om hele Himalaya var komprimeret til et ølkrus. Imidlertid, der er indikationer på, at en neutronstjerne med en maksimal masse ville kollapse til et sort hul, hvis blot en enkelt neutron blev tilføjet.

Sammen med sine elever Elias Most og Lukas Weih, Professor Luciano Rezzolla, fysiker, senior fellow ved Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) og professor i teoretisk astrofysik ved Goethe University Frankfurt, har nu løst problemet, der havde været ubesvaret i 40 år:Med en nøjagtighed på nogle få procent, den maksimale masse af ikke-roterende neutronstjerner kan ikke overstige 2,16 solmasser.

Grundlaget for dette resultat var den "universelle relationer"-tilgang, der blev udviklet i Frankfurt for et par år siden [www.goethe-university-frankfurt.de/60913695/15]. Eksistensen af ​​"universelle relationer" indebærer, at praktisk talt alle neutronstjerner "ligner hinanden, " hvilket betyder, at deres egenskaber kan udtrykkes i form af dimensionsløse størrelser. Forskerne kombinerede disse "universelle relationer" med data om gravitationsbølgesignaler og den efterfølgende elektromagnetiske stråling (kilonova) opnået under observationen sidste år af to fusionerende neutronstjerner i rammen af ​​LIGO-eksperimentet. Dette forenkler beregninger enormt, fordi det gør dem uafhængige af tilstandsligningen. Denne ligning er en teoretisk model til at beskrive tæt stof inde i en stjerne, der giver information om dens sammensætning i forskellige dybder i stjernen. Sådan en universel forhold spillede derfor en væsentlig rolle i definitionen af ​​den nye maksimale masse.

Resultatet er et godt eksempel på samspillet mellem teoretisk og eksperimentel forskning. "Det smukke ved teoretisk forskning er, at den kan komme med forudsigelser. Teori, imidlertid, har desperat brug for eksperimenter for at indsnævre nogle af dens usikkerheder, " siger professor Rezzolla. "Det er derfor ret bemærkelsesværdigt, at observationen af ​​en enkelt binær neutronstjernefusion, der fandt sted millioner af lysår væk, kombineret med de universelle relationer, der blev opdaget gennem vores teoretiske arbejde, har gjort det muligt for os at løse en gåde, der har givet så mange spekulationer. i fortiden."

Forskningsresultaterne blev offentliggjort som et brev fra Astrofysisk tidsskrift . Blot et par dage senere, forskningsgrupper fra USA og Japan bekræftede resultaterne, på trods af at de hidtil har fulgt forskellige og uafhængige tilgange.

Gravitationsbølgeastronomi forventes at observere flere sådanne begivenheder i den nærmeste fremtid, både hvad angår gravitationsbølgesignaler og i de mere traditionelle frekvensområder. Dette vil yderligere reducere usikkerheden om maksimal masse og føre til en bedre forståelse af stof under ekstreme forhold. Dette vil blive simuleret i moderne partikelacceleratorer, for eksempel på CERN i Schweiz eller FAIR-anlægget i Tyskland.