Forskere opdager en ny type stof inde i neutronstjerner

En finsk forskergruppe har fundet stærke beviser for tilstedeværelsen af ​​eksotisk kvarkmateriale inde i kernerne af de største neutronstjerner, der findes. De nåede denne konklusion ved at kombinere nylige resultater fra teoretisk partikel- og atomfysik til målinger af gravitationsbølger fra neutronstjernekollisioner.

Alt normalt stof omkring os består af atomer, hvis tætte kerner, omfattende protoner og neutroner, er omgivet af negativt ladede elektroner. Imidlertid, inde i neutronstjerner, Atommateriale vides at falde sammen til uhyre tætte nukleare stoffer, hvor neutronerne og protonerne er pakket så tæt sammen, at hele stjernen kan betragtes som en enkelt enorm kerne.

Indtil nu, det er forblevet uklart, om atomstof i kernerne af de mest massive neutronstjerner kollapser til en endnu mere eksotisk tilstand kaldet kvarkstof, hvor kernerne selv ikke længere eksisterer. Forskere fra Helsinki Universitet hævder nu, at svaret på dette spørgsmål er ja. De nye resultater blev offentliggjort i Naturfysik .

"Bekræftelse af eksistensen af ​​kvarkkerner inde i neutronstjerner har været et af de vigtigste mål for neutronstjernefysik lige siden denne mulighed først blev underholdt for omkring 40 år siden, "siger lektor Aleksi Vuorinen fra Helsinkis universitetets Institut for Fysik.

Eksistens meget sandsynligt

Med selv store simuleringer kørt på supercomputere, der ikke er i stand til at bestemme skæbnen for nukleart stof inde i neutronstjerner, den finske forskergruppe foreslog en ny tilgang til problemet. De indså, at ved at kombinere nylige fund fra teoretisk partikel- og kernefysik med astrofysiske målinger, det kan være muligt at udlede egenskaberne og identiteten af ​​stof, der bor inde i neutronstjerner.

Ud over Vuorinen, gruppen omfatter doktorand Eemeli Annala fra Helsinki, samt deres kolleger Tyler Gorda fra University of Virginia, Aleksi Kurkela fra CERN, og Joonas Nättilä fra Columbia University.

Ifølge undersøgelsen, stof, der er inde i kernerne i de mest massive stabile neutronstjerner, ligner meget mere kvarkmateriale end almindeligt nukleart stof. Beregningerne viser, at i disse stjerner, diameteren af ​​kernen identificeret som kvarkstof kan overstige halvdelen af ​​hele neutronstjernens. Imidlertid, Vuorinen påpeger, at der stadig er mange usikkerheder forbundet med den nøjagtige struktur af neutronstjerner. Hvad vil det sige at påstå, at kvarkstof næsten helt sikkert er blevet opdaget?

"Der er stadig en lille, men nul -chance for, at alle neutronstjerner er sammensat af nukleart stof alene. Det har vi kunnet gøre, imidlertid, er kvantificere, hvad dette scenario ville kræve. Kort sagt, opførslen af ​​tæt nukleart stof skulle da være virkelig ejendommelig. For eksempel, lydens hastighed skulle næsten nå lysets hastighed, "Vuorinen forklarer.

Radiusbestemmelse fra gravitationsbølgeobservationer

En nøglefaktor, der bidrog til de nye fund, var fremkomsten af ​​to nylige resultater inden for observationsastrofysik:måling af gravitationsbølger fra en fusion mellem neutronstjerner og påvisning af meget massive neutronstjerner, med masser tæt på to solmasser.

I efteråret 2017, LIGO- og Jomfruobservatorierne påvist, for første gang, gravitationsbølger genereret af to fusionerende neutronstjerner. Denne observation satte en streng øvre grænse for en mængde kaldet tidevandsdeformabilitet, som måler modtageligheden af ​​en kredsende stjernestruktur for dens ledsagers tyngdefelt. Dette resultat blev efterfølgende brugt til at udlede en øvre grænse for radius af de kolliderende neutronstjerner, hvilket viste sig at være cirka 13 km.

Tilsvarende mens den første observation af en neutronstjerne stammer helt tilbage til 1967, nøjagtige massemålinger af disse stjerner har kun været mulige i de sidste 20 år eller deromkring. De fleste stjerner med nøjagtigt kendte masser falder inde i et vindue på mellem 1 og 1,7 stjernemasser, men det sidste årti har været vidne til, at tre stjerner enten nåede eller muligvis endda lidt oversteg grænsen for to-solmasse.

Yderligere observationer forventes

Noget modsat, oplysninger om neutronstjerners radier og masser har allerede reduceret usikkerhederne forbundet med de termodynamiske egenskaber ved neutronstjernemateriale betydeligt. Dette har også gjort det muligt at færdiggøre analysen fra den finske forskergruppe i deres Naturfysik artikel.

I den nye analyse, de astrofysiske observationer blev kombineret med state-of-the-art teoretiske resultater fra partikel- og atomfysik. Dette gjorde det muligt at udlede en nøjagtig forudsigelse for det, der er kendt som ligningen af ​​tilstanden for neutronstjernemateriale, som refererer til forholdet mellem dets tryk og energitæthed. En integreret komponent i denne proces var et velkendt resultat fra generel relativitet, som relaterer statens ligning til en relation mellem de mulige værdier for neutronstjerne radier og masser.

Siden efteråret 2017 har en række nye neutronstjernefusioner er blevet observeret, og LIGO og Jomfruen er hurtigt blevet en integreret del af neutronstjerneforskning. Det er denne hurtige akkumulering af nye observationsoplysninger, der spiller en nøglerolle for at forbedre nøjagtigheden af ​​de nye fund fra den finske forskergruppe, og for at bekræfte eksistensen af ​​kvarkstof inde i neutronstjerner. Med yderligere observationer forventet i den nærmeste fremtid, usikkerheden forbundet med de nye resultater vil også automatisk falde.

"Der er grund til at tro, at gravitationsbølgeastrofysikkens guldalder lige er begyndt, og at vi snart vil være vidne til mange flere spring som dette i vores forståelse af naturen, "Vuorinen glæder sig.