Fysikere sætter grænser for størrelsen af ​​neutronstjerner

Hvor stor er en neutronstjerne? Tidligere skøn varierede fra otte til 16 kilometer. Astrofysikere ved Goethe Universitet Frankfurt og FIAS er nu lykkedes med at bestemme størrelsen af ​​neutronstjerner til inden for 1,5 kilometer ved hjælp af en detaljeret statistisk tilgang understøttet af data fra måling af gravitationsbølger. Forskernes rapport fremgår af det aktuelle nummer af Fysiske anmeldelsesbreve .

Neutronstjerner er de tætteste objekter i universet, med en masse større end vores sol komprimeret til en relativt lille kugle, hvis diameter er sammenlignelig med byen Frankfurts. Dette er faktisk bare et groft skøn, imidlertid. I mere end 40 år, bestemmelsen af ​​størrelsen af ​​neutronstjerner har været en hellig gral i kernefysik, hvis løsning ville give vigtige oplysninger om stoffets grundlæggende adfærd ved nukleare tætheder.

Dataene fra detektionen af ​​gravitationsbølger fra fusionerende neutronstjerner (GW170817) yder et vigtigt bidrag til at løse dette puslespil. Ved udgangen af ​​2017 Professor Luciano Rezzolla, Institut for Teoretisk Fysik ved Goethe Universitet Frankfurt og FIAS, sammen med sine elever Elias Most og Lukas Weih har allerede udnyttet disse data til at besvare et langvarigt spørgsmål om den maksimale masse, neutronstjerner kan støtte, før de kollapser til et sort hul - et resultat, der også blev bekræftet af forskellige andre grupper rundt om i verden. Efter dette første vigtige resultat, det samme hold, med hjælp fra professor Juergen Schaffner-Bielich, har arbejdet med at sætte strammere begrænsninger på størrelsen af ​​neutronstjerner.

Sagens kerne er, at tilstandsligningen, der beskriver stoffet inde i neutronstjerner, ikke er kendt. Fysikerne besluttede derfor at gå en anden vej:De valgte statistiske metoder til at bestemme størrelsen af ​​neutronstjerner inden for snævre grænser. For at sætte de nye grænser, de beregnede mere end to milliarder teoretiske modeller af neutronstjerner ved at løse Einstein-ligningerne, der beskriver disse relativistiske stjerners ligevægt, og kombinerede dette store datasæt med begrænsningerne fra GW170817 gravitationsbølgedetektion.

"En tilgang af denne type er ikke usædvanlig i teoretisk fysik, " siger Rezzolla, tilføjer:"Ved at udforske resultaterne for alle mulige værdier af parametrene, vi kan effektivt reducere vores usikkerheder." Som et resultat, forskerne var i stand til at bestemme radius af en typisk neutronstjerne inden for et område på kun 1,5 km:den ligger mellem 12 og 13,5 kilometer, et resultat, der kan forfines yderligere ved fremtidige gravitationsbølgedetekteringer.

"Imidlertid, der er et twist i alt dette, da neutronstjerner kan have tvillingeløsninger, " siger Schaffner-Bielich. Det er faktisk muligt, at ved ultrahøje tætheder, stof ændrer drastisk sine egenskaber og gennemgår en såkaldt "faseovergang". Dette svarer til, hvad der sker med vand, når det fryser og går fra en flydende til en fast tilstand. I tilfælde af neutronstjerner, denne overgang spekuleres i at gøre almindeligt stof til "kvarkstof, " producerer stjerner, der vil have nøjagtig samme masse som deres neutronstjerne "tvilling, "men det vil være meget mindre og dermed mere kompakt.

Selvom der ikke er noget sikkert bevis for deres eksistens, det er plausible løsninger, og forskerne fra Frankfurt har taget denne mulighed i betragtning, på trods af de yderligere komplikationer, som tvillingestjerner indebærer. Denne indsats gav i sidste ende frugt, da deres beregninger har afsløret et uventet resultat:tvillingestjerner er statistisk sjældne og kan ikke deformeres særlig meget under sammensmeltningen af ​​to sådanne stjerner. Dette er et vigtigt fund, da det nu giver forskere mulighed for potentielt at udelukke eksistensen af ​​disse meget kompakte objekter. Fremtidige gravitationsbølgeobservationer vil derfor afsløre, hvorvidt neutronstjerner har eksotiske tvillinger.