Sammensmeltning af atomfysiske eksperimenter og astronomiske observationer for at fremme forskningen i statsligninger

For de fleste stjerner er neutronstjerner og sorte huller deres sidste hvilested. Når en supergigantisk stjerne løber tør for brændstof, udvider den sig og kollapser derefter hurtigt på sig selv. Denne handling skaber en neutronstjerne - et objekt, der er tættere end vores sol, der er proppet ind i et rum på 13 til 18 miles bredt. I sådan et stærkt kondenseret stjernemiljø kombineres de fleste elektroner med protoner for at danne neutroner, hvilket resulterer i en tæt kugle af stof, der hovedsageligt består af neutroner. Forskere forsøger at forstå de kræfter, der styrer denne proces, ved at skabe tæt stof i laboratoriet ved at kollidere neutronrige kerner og foretage detaljerede målinger.

Et forskerhold – ledet af William Lynch og Betty Tsang ved Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) – er fokuseret på at lære om neutroner i tætte miljøer. Lynch, Tsang og deres samarbejdspartnere brugte 20 års eksperimentelle data fra acceleratoranlæg og neutronstjerneobservationer til at forstå, hvordan partikler interagerer i nukleart stof under en bred vifte af tætheder og tryk. Holdet ønskede at bestemme, hvordan forholdet mellem neutroner og protoner påvirker nukleare kræfter i et system. Holdet har for nylig offentliggjort sine resultater i Nature Astronomy .

"I kernefysik er vi ofte begrænset til at studere små systemer, men vi ved præcis, hvad partikler er i vores kernesystemer. Stjerner giver os en utrolig mulighed, fordi de er store systemer, hvor kernefysik spiller en afgørende rolle, men det gør vi ikke ved med sikkerhed, hvilke partikler der er i deres indre," sagde Lynch, professor i kernefysik ved FRIB og i Michigan State University (MSU) Department of Physics and Astronomy.

"De er interessante, fordi tætheden varierer meget inden for så store systemer. Nukleare kræfter spiller en dominerende rolle i dem, men vi ved forholdsvis lidt om den rolle."

Når en stjerne med en masse, der er 20-30 gange solens, opbruger sit brændstof, afkøles den, kollapser og eksploderer i en supernova. Efter denne eksplosion smelter kun stoffet i den dybeste del af stjernens indre sammen og danner en neutronstjerne. Denne neutronstjerne har intet brændstof at forbrænde, og over tid udstråler den sin resterende varme til det omgivende rum.

Forskere forventer, at stof i den ydre kerne af en kold neutronstjerne er nogenlunde magen til stoffet i atomkerner, men med tre forskelle:neutronstjerner er meget større, de er tættere i deres indre, og en større del af deres nukleoner er neutroner. Dybt inde i den indre kerne af en neutronstjerne forbliver sammensætningen af ​​neutronstjernestof et mysterium.

"Hvis eksperimenter kunne give mere vejledning om de kræfter, der virker i deres indre, kunne vi lave bedre forudsigelser af deres indre sammensætning og af faseovergange inden for dem. Neutronstjerner udgør en stor forskningsmulighed for at kombinere disse discipliner," sagde Lynch.

Acceleratorfaciliteter som FRIB hjælper fysikere med at studere, hvordan subatomære partikler interagerer under eksotiske forhold, der er mere almindelige i neutronstjerner. Når forskere sammenligner disse eksperimenter med neutronstjerneobservationer, kan de beregne tilstandsligningen (EOS) for partikler, der interagerer i tætte omgivelser med lav temperatur.

EOS beskriver stof under specifikke forhold, og hvordan dets egenskaber ændrer sig med tætheden. Løsning af EOS for en lang række indstillinger hjælper forskere med at forstå den stærke kernekrafts virkninger inden for tætte objekter, som neutronstjerner, i kosmos. Det hjælper os også med at lære mere om neutronstjerner, når de afkøles.

"Dette er første gang, at vi har samlet et så stort væld af eksperimentelle data for at forklare tilstandsligningen under disse forhold, og det er vigtigt," sagde Tsang, professor i nuklear videnskab ved FRIB. "Tidligere bestræbelser har brugt teori til at forklare lavdensitet og lavenergi-enden af ​​nukleart stof. Vi ønskede at bruge alle de data, vi havde til rådighed for os fra vores tidligere erfaringer med acceleratorer til at opnå en omfattende tilstandsligning."

Forskere, der søger EOS, beregner det ofte ved højere temperaturer eller lavere tætheder. De drager derefter konklusioner for systemet på tværs af en bredere vifte af forhold. Imidlertid er fysikere i de senere år kommet til at forstå, at en EOS opnået fra et eksperiment kun er relevant for et specifikt område af tætheder.

Som et resultat var holdet nødt til at samle data fra en række acceleratoreksperimenter, der brugte forskellige målinger af kolliderende kerner for at erstatte disse antagelser med data. "I dette arbejde stillede vi to spørgsmål," sagde Lynch. "For en given måling, hvilken tæthed undersøger den måling? Derefter spurgte vi, hvad den måling fortæller os om tilstandsligningen ved den densitet."

I sit nylige papir kombinerede holdet sine egne eksperimenter fra acceleratoranlæg i USA og Japan. Den samlede data fra 12 forskellige eksperimentelle begrænsninger og tre neutronstjerneobservationer. Forskerne fokuserede på at bestemme EOS for nukleart stof, der spænder fra det halve til tre gange en kernes mætningstæthed - den tæthed, der findes i kernen af ​​alle stabile kerner. Ved at producere denne omfattende EOS leverede holdet nye benchmarks for de større kernefysik- og astrofysiksamfund for mere præcist at modellere interaktioner af nukleart stof.

Holdet forbedrede sine målinger ved mellemliggende tætheder, som neutronstjerneobservationer ikke giver gennem eksperimenter ved GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Tyskland, RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science i Japan og National Superconducting Cyclotron Laboratory (FRIBs forgænger) ). For at muliggøre nøglemålinger, der diskuteres i denne artikel, hjalp deres eksperimenter med at finansiere tekniske fremskridt inden for dataindsamling til aktive mål og tidsprojektionskamre, som bliver brugt i mange andre eksperimenter verden over.

Flere oplysninger: Chun Yuen Tsang et al., Bestemmelse af tilstandsligningen fra nukleare eksperimenter og neutronstjerneobservationer, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-023-02161-z

Journaloplysninger: Naturastronomi

Leveret af Michigan State University