Team opnår den bedste måling af neutronstjernestørrelsen til dato

Et internationalt forskerhold ledet af medlemmer af Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) har fået nye målinger af, hvor store neutronstjerner er. For at gøre det, de kombinerede en generel beskrivelse af de første principper af neutronstjernestofs ukendte opførsel med multi-budbringerobservationer af den binære neutronstjernefusion GW170817. Deres resultater, som dukkede op i Natur astronomi i dag, er mere stringente med en faktor på to end tidligere grænser og viser, at en typisk neutronstjerne har en radius tæt på 11 kilometer. De finder også ud af, at neutronstjerner, der smelter sammen med sorte huller, i de fleste tilfælde sandsynligvis vil blive slugt hele, medmindre det sorte hul er lille og/eller hurtigt roterende. Dette betyder, at selvom sådanne fusioner kan observeres som gravitationsbølgekilder, de ville være usynlige i det elektromagnetiske spektrum.

"Binære neutronstjernefusioner er en guldmine af information!" siger Collin Capano, forsker ved AEI Hannover og hovedforfatter af Natur astronomi undersøgelse. "Neutronstjerner indeholder det tætteste stof i det observerbare univers. Faktisk, de er så tætte og kompakte, at du kan tænke på hele stjernen som en enkelt atomkerne, skaleres op til størrelsen af ​​en by. Ved at måle disse objekters egenskaber, vi lærer om den grundlæggende fysik, der styrer stof på det subatomare niveau."

"Vi finder ud af, at den typiske neutronstjerne, som er omkring 1,4 gange så tung som vores sol har en radius på omkring 11 kilometer, " siger Badri Krishnan, der leder forskerholdet ved AEI Hannover. "Vores resultater begrænser radius til sandsynligvis at være et sted mellem 10,4 og 11,9 kilometer. Dette er en faktor på to, der er strengere end tidligere resultater."

Binære neutronstjernefusioner som astrofysisk skatkammer

Neutronstjerner er kompakte, ekstremt tætte rester af supernovaeksplosioner. De er omtrent på størrelse med en by med op til dobbelt så stor masse som vores sol. Hvordan de neutronrige, ekstremt tæt stof opfører sig er ukendt, og det er umuligt at skabe sådanne forhold i noget laboratorium på Jorden. Fysikere har foreslået forskellige modeller (tilstandsligninger), men det er ukendt, hvilken (hvis nogen) af disse modeller korrekt beskriver neutronstjernestof i naturen.

Sammenlægninger af binære neutronstjerner - såsom GW170817, som blev observeret i gravitationsbølger og hele det elektromagnetiske spektrum i august 2017 - er de mest spændende astrofysiske begivenheder, når det kommer til at lære mere om stof under ekstreme forhold og den underliggende kernefysik. Fra dette, forskere kan igen bestemme fysiske egenskaber af neutronstjerner såsom deres radius og masse.

Forskerholdet brugte en model baseret på en første-princippet beskrivelse af, hvordan subatomare partikler interagerer ved de høje tætheder, der findes inde i neutronstjerner. Bemærkelsesværdigt, som holdet viser, teoretiske beregninger på længdeskalaer mindre end en trilliontedel af en millimeter kan sammenlignes med observationer af et astrofysisk objekt mere end hundrede millioner lysår væk.

"Det er lidt åndssvagt, " siger Capano. "GW170817 blev forårsaget af kollisionen af ​​to objekter på størrelse med byen for 120 millioner år siden, da dinosaurerne gik rundt her på Jorden. Dette skete i en galakse en milliard billioner kilometer væk. Fra det, vi har fået indsigt i subatomær fysik."

Hvor stor er en neutronstjerne?

Den første-princip-beskrivelse, som forskerne brugte, forudsiger en hel familie af mulige tilstandsligninger for neutronstjerner, som er direkte afledt af kernefysik. Fra denne familie, forfatterne udvalgte de medlemmer, der er mest tilbøjelige til at forklare forskellige astrofysiske observationer; de valgte modeller

• som stemmer overens med gravitationsbølgeobservationer af GW170817 fra offentlige LIGO- og Jomfru-data,
• som producerer en kortvarig hypermassiv neutronstjerne som følge af fusionen, og
• som stemmer overens med kendte begrænsninger for den maksimale neutronstjernemasse fra elektromagnetiske modpartsobservationer af GW170817.

Dette gjorde det ikke kun muligt for forskerne at udlede robust information om tæt-stoffysik, men også for at opnå de strengeste grænser for størrelsen af ​​neutronstjerner til dato.

Fremtidige gravitationsbølge- og multi-messenger observationer

"Disse resultater er spændende, ikke kun fordi vi har været i stand til at forbedre målinger af neutronstjerneradier i høj grad, men fordi det giver os et vindue til neutronstjernernes ultimative skæbne ved at fusionere binære filer, " siger Stephanie Brown, medforfatter til publikationen og en ph.d. studerende ved AEI Hannover. De nye resultater tyder på, at med en begivenhed som GW170817, LIGO- og Jomfru-detektorerne ved designfølsomhed vil let kunne skelne, fra gravitationsbølger alene, om to neutronstjerner eller to sorte huller er smeltet sammen. For GW170817, observationer i det elektromagnetiske spektrum var afgørende for at kunne skelne.

Forskerholdet finder også, at for blandede binære filer (en neutronstjerne, der smelter sammen med et sort hul), Alene observationer af gravitationsbølgesammenlægninger vil have svært ved at skelne sådanne begivenheder fra binære sorte huller. Observationer i det elektromagnetiske spektrum eller gravitationsbølger fra efter fusionen vil være afgørende for at skelne dem fra hinanden.

Imidlertid, det viser sig, at de nye resultater også indebærer, at multi-messenger-observationer af blandede binære fusioner sandsynligvis ikke vil ske. "Vi har vist, at neutronstjernen i næsten alle tilfælde ikke vil blive revet fra hinanden af ​​det sorte hul og snarere slugt hel, " forklarer Capano. "Kun når det sorte hul er meget lille eller hurtigt drejer, kan den forstyrre neutronstjernen, før den sluger den; og først da kan vi forvente at se noget udover gravitationsbølger."

En lys fremtid forude

I det næste årti, de eksisterende gravitationsbølgedetektorer bliver endnu mere følsomme, og yderligere detektorer vil begynde at observere. Forskerholdet forventer flere meget høje gravitationsbølgedetekteringer og mulige multi-messenger-observationer fra fusionerende binære neutronstjerner. Hver af disse fusioner ville give vidunderlige muligheder for at lære mere om neutronstjerner og kernefysik.