Tyngste neutronstjerne til dato er en sort enke, der spiser sin mage

En tæt, kollapset stjerne, der snurrer 707 gange i sekundet - hvilket gør den til en af ​​de hurtigst roterende neutronstjerner i Mælkevejen - har revet og konsumeret næsten hele massen af ​​sin stjerneledsager og er i processen vokset til den tungeste neutronstjerne observeret til dato.

Vejningen af ​​denne rekordsættende neutronstjerne, som topper søkortene med 2,35 gange solens masse, hjælper astronomer med at forstå den underlige kvantetilstand af stof inde i disse tætte objekter, som - hvis de bliver meget tungere end det - kollapser helt og forsvinder som et sort hul.

"Vi ved nogenlunde, hvordan stof opfører sig ved nukleare tætheder, som i kernen af ​​et uraniumatom," sagde Alex Filippenko, Distinguished Professor of Astronomy ved University of California, Berkeley. "En neutronstjerne er som en kæmpe kerne, men når du har halvanden solmasse af dette stof, som er omkring 500.000 jordmasser af kerner, der alle klæber sammen, er det slet ikke klart, hvordan de vil opføre sig."

Roger W. Romani, professor i astrofysik ved Stanford University, bemærkede, at neutronstjerner er så tætte - 1 kubikinch vejer over 10 milliarder tons - at deres kerner er det tætteste stof i universet undtagen sorte huller, som fordi de er gemt bagved deres begivenhedshorisont er umulige at studere. Neutronstjernen, en pulsar betegnet PSR J0952-0607, er således det tætteste objekt inden for synsvidde af Jorden.

Målingen af ​​neutronstjernens masse var mulig takket være den ekstreme følsomhed af 10-meter Keck I-teleskopet på Maunakea i Hawai'i, som netop var i stand til at optage et spektrum af synligt lys fra den varmt glødende ledsagerstjerne, nu reduceret til på størrelse med en stor gasformig planet. Stjernerne er omkring 3.000 lysår fra Jorden i retning af stjernebilledet Sextans.

Opdaget i 2017 omtales PSR J0952-0607 som en "sort enke"-pulsar - en analogi til tendensen hos kvindelige sorte enkeedderkopper til at konsumere den meget mindre han efter parring. Filippenko og Romani har studeret sorte enkesystemer i mere end et årti i håb om at etablere den øvre grænse for, hvor store neutronstjerner/pulsarer kan vokse.

"Ved at kombinere denne måling med dem fra flere andre sorte enker, viser vi, at neutronstjerner skal nå mindst denne masse, 2,35 plus eller minus 0,17 solmasser," sagde Romani, der er professor i fysik ved Stanford's School of Humanities and Sciences. og medlem af Kavli Instituttet for Partikelastrofysik og Kosmologi. "Til gengæld giver dette nogle af de stærkeste begrænsninger for stoffets egenskaber med flere gange den tæthed, der ses i atomkerner. Faktisk er mange ellers populære modeller for tæt-stoffysik udelukket af dette resultat."

Hvis 2,35 solmasser er tæt på den øvre grænse for neutronstjerner, siger forskerne, så er det indre sandsynligvis en suppe af neutroner såvel som op- og ned-kvarker - bestanddelene af normale protoner og neutroner - men ikke eksotisk stof, såsom "mærkelige" kvarker eller kaoner, som er partikler, der indeholder en mærkelig kvark.

"En høj maksimal masse for neutronstjerner tyder på, at det er en blanding af kerner og deres opløste kvarker helt ind til kernen," sagde Romani. "Dette udelukker mange foreslåede stoftilstande, især dem med eksotisk indre sammensætning."

Romani, Filippenko og Stanford kandidatstuderende Dinesh Kandel er medforfattere til et papir, der beskriver holdets resultater, og som er blevet accepteret til offentliggørelse af The Astrophysical Journal Letters .

Hvor store kan de vokse?

Astronomer er generelt enige om, at når en stjerne med en kerne større end omkring 1,4 solmasser kollapser ved slutningen af ​​sin levetid, danner den et tæt, kompakt objekt med et indre under så højt tryk, at alle atomer knuses sammen og danner et hav af neutroner og deres subnukleare bestanddele, kvarker. Disse neutronstjerner er født roterende, og selvom de er for svage til at kunne ses i synligt lys, afslører de sig som pulsarer, der udsender lysstråler - radiobølger, røntgenstråler eller endda gammastråler - der blinker Jorden, mens de snurrer, ligesom de roterende stråle af et fyrtårn.

"Almindelige" pulsarer spinner og blinker cirka en gang i sekundet i gennemsnit, en hastighed, der let kan forklares givet en stjernes normale rotation, før den kollapser. Men nogle pulsarer gentager hundredvis eller op til 1.000 gange i sekundet, hvilket er svært at forklare, medmindre stof er faldet ned på neutronstjernen og snurret den op. Men i nogle millisekunders pulsarer er ingen ledsager synlig.

En mulig forklaring på isolerede millisekunders pulsarer er, at hver en gang havde en ledsager, men den fjernede den til ingenting.

"Den evolutionære vej er absolut fascinerende. Dobbelt udråbstegn," sagde Filippenko. "Efterhånden som følgestjernen udvikler sig og begynder at blive en rød kæmpe, vælter materiale over til neutronstjernen, og det drejer neutronstjernen op. Ved at snurre op, bliver den nu utroligt energiforsynet, og en vind af partikler begynder at komme ud fra neutronen. stjerne. Den vind rammer derefter donorstjernen og begynder at fjerne materiale, og over tid falder donorstjernens masse til en planets, og hvis der går endnu mere tid, forsvinder den helt. Så sådan kunne enlige millisekundpulsarer være De var ikke helt alene til at begynde med - de skulle være i et binært par - men de fordampede gradvist deres ledsagere, og nu er de ensomme."

Pulsaren PSR J0952-0607 og dens svage ledsagerstjerne understøtter denne oprindelseshistorie for millisekundspulsarer.

"These planet-like objects are the dregs of normal stars which have contributed mass and angular momentum, spinning up their pulsar mates to millisecond periods and increasing their mass in the process," Romani said.

"In a case of cosmic ingratitude, the black widow pulsar, which has devoured a large part of its mate, now heats and evaporates the companion down to planetary masses and perhaps complete annihilation," said Filippenko.

Spider pulsars include redbacks and tidarrens

Finding black widow pulsars in which the companion is small, but not too small to detect, is one of few ways to weigh neutron stars. In the case of this binary system, the companion star—now only 20 times the mass of Jupiter—is distorted by the mass of the neutron star and tidally locked, similar to the way our moon is locked in orbit so that we see only one side. The neutron star-facing side is heated to temperatures of about 6,200 Kelvin, or 10,700 degrees Fahrenheit, a bit hotter than our sun, and just bright enough to see with a large telescope.

Filippenko and Romani turned the Keck I telescope on PSR J0952-0607 on six occasions over the last four years, each time observing with the Low Resolution Imaging Spectrometer in 15-minute chunks to catch the faint companion at specific points in its 6.4-hour orbit of the pulsar. By comparing the spectra to that of similar sun-like stars, they were able to measure the orbital velocity of the companion star and calculate the mass of the neutron star.

Filippenko and Romani have examined about a dozen black widow systems so far, though only six had companion stars bright enough to let them calculate a mass. All involved neutron stars less massive than the pulsar PSR J0952-060. They're hoping to study more black widow pulsars, as well as their cousins:redbacks, named for the Australian equivalent of black widow pulsars, which have companions closer to one-tenth the mass of the sun; and what Romani dubbed tidarrens—where the companion is around one-hundredth of a solar mass—after a relative of the black widow spider. The male of this species, Tidarren sisyphoides, is about 1% of the female's size.

"We can keep looking for black widows and similar neutron stars that skate even closer to the black hole brink. But if we don't find any, it tightens the argument that 2.3 solar masses is the true limit, beyond which they become black holes," Filippenko said.

"This is right at the limit of what the Keck telescope can do, so barring fantastic observing conditions, tightening the measurement of PSR J0952-0607 likely awaits the 30-meter telescope era," added Romani.

Other co-authors of the ApJ Letters paper are UC Berkeley researchers Thomas Brink and WeiKang Zheng. + Udforsk yderligere

Two millisecond pulsars detected in globular cluster NGC 6440