Fjern, spiralformede stjerner giver ledetråde til de kræfter, der binder subatomare partikler

Rumforskere ved University of Bath i Storbritannien har fundet en ny måde at undersøge neutronstjernernes indre struktur på, at give kernefysikere et nyt værktøj til at studere de strukturer, der udgør stoffet på atomniveau.

Neutronstjerner er døde stjerner, der er blevet komprimeret af tyngdekraften til størrelsen af ​​små byer. De indeholder det mest ekstreme stof i universet, hvilket betyder, at de er de tætteste objekter, der findes (til sammenligning, hvis Jorden blev komprimeret til tætheden af ​​en neutronstjerne, den ville kun måle et par hundrede meter i diameter, og alle mennesker ville passe i en teske). Dette gør neutronstjerner til unikke naturlige laboratorier for kernefysikere, hvis forståelse af den kraft, der binder subatomare partikler, er begrænset til deres arbejde på jordbundne atomkerner. At studere, hvordan denne kraft opfører sig under mere ekstreme forhold, tilbyder en måde at uddybe deres viden.

Træd ind i astrofysikere, der ser til fjerne galakser for at opklare fysikkens mysterier.

I en undersøgelse beskrevet i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society , Bath-astrofysikere har fundet ud af, at virkningen af ​​to neutronstjerner, der bevæger sig stadig hurtigere, mens de spiraler mod en voldsom kollision, giver et fingerpeg om sammensætningen af ​​neutronstjernemateriale. Ud fra disse oplysninger, kernefysikere vil være i en stærkere position til at beregne de kræfter, der bestemmer strukturen af ​​alt stof.

Resonans

Det er gennem fænomenet resonans, at Bath-holdet har gjort sin opdagelse. Resonans opstår, når kraft påføres et objekt ved dets naturlige frekvens, genererer en stor, ofte katastrofale, vibrationsbevægelse. Et velkendt eksempel på resonans findes, når en operasanger knuser et glas ved at synge højt nok med en frekvens, der matcher glassets svingningstilstande.

Når et par neutronstjerner i spiral når en tilstand af resonans, deres faste skorpe - som menes at være 10 milliarder gange stærkere end stål - splintres. Dette resulterer i frigivelsen af ​​en lys udbrud af gammastråler (kaldet en Resonant Shattering Flare), som kan ses af satellitter. De in-spiralformede stjerner frigiver også gravitationsbølger, som kan detekteres af instrumenter på Jorden. Bath-forskerne fandt ud af, at ved at måle både opblussen og gravitationsbølgesignalet, de kan beregne neutronstjernens 'symmetrienergi'.

Symmetrienergi er en af ​​egenskaberne ved nukleart stof. Det styrer forholdet mellem de subatomare partikler (protoner og neutroner), der udgør en kerne, og hvordan dette forhold ændres, når det udsættes for de ekstreme tætheder, der findes i neutronstjerner. En aflæsning for symmetrienergi ville derfor give en stærk indikation af neutronstjernernes sammensætning, og i forlængelse heraf, de processer, hvorved alle protoner og neutroner kobles, og de kræfter, der bestemmer strukturen af ​​alt stof.

Forskerne understreger, at målinger opnået ved at studere resonansen af ​​neutronstjerner ved hjælp af en kombination af gammastråler og gravitationsbølger ville være komplementære til, snarere end en erstatning for, kernefysikernes laboratorieforsøg.

"Ved at studere neutronstjerner, og de katastrofale sidste bevægelser af disse massive objekter, vi er i stand til at forstå noget om det lille, små kerner, der udgør ekstremt tæt stof, " sagde Bath-astrofysiker Dr. David Tsang. "Den enorme forskel i skala gør dette fascinerende."

Astrofysik Ph.D. studerende Duncan Neill, hvem ledede forskningen, tilføjede:"Jeg kan godt lide, at dette arbejde ser på det samme, der studeres af kernefysikere. De ser på bittesmå partikler, og vi astrofysikere ser på objekter og begivenheder fra mange millioner lysår væk. Vi ser på det samme i en fuldstændig anderledes måde."

Dr. Will Newton, astrofysiker ved Texas A&M University-Commerce og projektsamarbejdspartner, sagde:"Selvom den kraft, der binder kvarker til neutroner og protoner, er kendt, hvordan det faktisk fungerer, når et stort antal neutroner og protoner mødes, er ikke godt forstået. Bestræbelsen på at forbedre denne forståelse er hjulpet af eksperimentelle kernefysiske data, men alle de kerner, vi sonderer på Jorden, har et lignende antal neutroner og protoner bundet sammen med nogenlunde samme tæthed.

"I neutronstjerner, naturen giver os et vidt forskellige miljø til at udforske kernefysik:stof består hovedsagelig af neutroner og spænder over en bred vifte af tætheder, op til omkring ti gange tætheden af ​​atomkerner. I denne avis, vi viser, hvordan vi kan måle en bestemt egenskab ved dette stof - symmetrienergien - fra afstande på hundreder af millioner af lysår væk. Dette kan kaste lys over kernernes grundlæggende funktion."