Podivné prvky zrýchleného chladenia prepisujú fyziku neutrónových hviezd

Nedávne pozorovania ESA XMM-Newton and NASAVedci z Mesiaca objavili tri nezvyčajne chladné mladé neutrónové hviezdy, ktoré spochybňujú súčasné modely tým, že ukazujú, že tieto hviezdy sa ochladzujú oveľa rýchlejšie, než sa očakávalo.

Toto zistenie má dôležité dôsledky, čo naznačuje, že len niektoré z mnohých navrhovaných neutrónová hviezda Modely sú uskutočniteľné a poukazujú na potenciálny prielom v prepojení princípov všeobecnej teórie relativity a kvantovej mechaniky prostredníctvom astrofyzikálnych pozorovaní.

Objav nezvyčajne studených neutrónových hviezd

Sonda XMM-Newton ESA a kozmická loď Chandra NASA objavili tri mladé neutrónové hviezdy, ktoré sú na svoj vek nezvyčajne chladné. Porovnaním ich vlastností s rôznymi modelmi neutrónových hviezd vedci dospeli k záveru, že nízke teploty týchto zvláštnych hviezd diskvalifikujú asi 75 % známych modelov. Toto je obrovský krok k odhaleniu „stavovej rovnice“ neutrónovej hviezdy, ktorá im všetkým vládne, čo má dôležité dôsledky pre základné zákony vesmíru.

Neutrónové hviezdy patria okrem čiernych dier medzi najzáhadnejšie objekty vo vesmíre. Neutrónová hviezda vzniká v posledných chvíľach života veľmi hmotnej hviezdy (asi osemnásobok hmotnosti nášho Slnka), keď sa jadrové palivo v jej strede konečne vyčerpá. V náhlom a násilnom konci sú vonkajšie vrstvy hviezdy vyvrhnuté s monštruóznou energiou pri výbuchu supernovy a zanechávajú za sebou brilantné oblaky medzihviezdneho materiálu bohatého na prach a ťažké kovy. V strede oblaku (hmlovina) sa husté hviezdne jadro ďalej sťahuje a vytvára neutrónovú hviezdu. Čierna diera môže vzniknúť aj vtedy, ak hmotnosť zostávajúceho jadra presiahne približne tri hmotnosti Slnka. Kredit: ESA

Extrémna hustota hmoty a neznáme stavy

Po čiernych dierach s hviezdnou hmotnosťou sú neutrónové hviezdy najhustejšími objektmi vo vesmíre. Každá neutrónová hviezda je stlačeným jadrom masívnej hviezdy, ktoré zostalo po výbuchu hviezdy v supernove. Po vyčerpaní paliva jadro hviezdy exploduje pod vplyvom gravitačnej sily, zatiaľ čo jeho vonkajšie vrstvy sú vymrštené smerom von do vesmíru.

Hmota v strede neutrónovej hviezdy je stlačená tak silno, že vedci stále nevedia, akú formu má. Neutrónové hviezdy dostali svoj názov podľa skutočnosti, že pod týmto extrémnym tlakom sa atómy tiež zrútia: elektróny sa spájajú s atómovým jadrom a premieňajú protóny na neutróny. Ale mohlo by to byť ešte zvláštnejšie, pretože extrémne teplo a tlak by mohli zmraziť podivnejšie častice, ktoré neprežijú nikde inde, alebo tieto častice roztaviť do víriacej polievky z ich základných kvarkov.

V neutrónovej hviezde (vľavo) sú kvarky, ktoré tvoria neutrón, obmedzené vo vnútri neutrónu. V kvarkovej hviezde (vpravo) sú kvarky voľné, takže zaberajú menej miesta a hviezda má menší priemer. Poďakovanie: NASA/CXC/M.Weiss

To, čo sa deje vo vnútri neutrónovej hviezdy, popisuje takzvaná „stavová rovnica“, teoretický model, ktorý vysvetľuje, aké fyzikálne procesy sa môžu vyskytnúť vo vnútri neutrónovej hviezdy. Problém je v tom, že vedci ešte nevedia, ktorá zo stoviek možných rovníc stavových modelov je správna. Zatiaľ čo správanie jednotlivých neutrónových hviezd môže závisieť od vlastností, ako je ich hmotnosť alebo rýchlosť rotácie, všetky neutrónové hviezdy by sa mali riadiť rovnakou stavovou rovnicou.

Dôsledky pozorovania ochladzovania neutrónových hviezd

Pri skúmaní údajov z lunárnych misií ESA XMM-Newton a NASA objavili vedci tri výnimočne mladé a chladné neutrónové hviezdy, ktoré sú 10-100-krát chladnejšie ako ich náprotivky v rovnakom veku. Porovnaním ich vlastností s rýchlosťami ochladzovania predpovedanými rôznymi modelmi vedci dospeli k záveru, že existencia týchto troch podivných hviezd vyvracia väčšinu navrhovaných stavových rovníc.

Astrofyzik Nanda Rea, ktorého výskumná skupina pôsobí v Inštitúte vesmírnych vied (ICE-CSIC) a Inštitút pre vesmírne štúdie v Katalánsku (ieec) viedol vyšetrovanie.

Zjednocovanie teórií prostredníctvom štúdií neutrónových hviezd

Odhalenie skutočnej stavovej rovnice pre neutrónovú hviezdu má tiež dôležité dôsledky pre základné zákony vesmíru. Fyzici zatiaľ nevedia, ako spojiť teóriu všeobecnej relativity (ktorá popisuje účinky gravitácie vo veľkých mierkach) s kvantovou mechanikou (ktorá popisuje, čo sa deje na úrovni častíc). Neutrónové hviezdy sú na to najlepším testovacím priestorom, pretože ich hustota a gravitácia ďaleko prevyšujú všetko, čo môžeme na Zemi vytvoriť.

Neutrónové hviezdy sú stlačené stredy masívnych hviezd, ktoré zostanú po výbuchu v supernove. Sú také husté, že hmota neutrónovej hviezdy v hodnote jednej kocky cukru váži toľko ako všetci ľudia na Zemi! Kredit: ESA

Spojenie síl: Štyri kroky k objavu

Tri zvláštne neutrónové hviezdy sú také chladné, že ich väčšina röntgenových observatórií nevidí. Camille Diez, výskumný pracovník ESA, ktorý pracoval na údajoch XMM-Newton, hovorí: „Vynikajúca citlivosť tiež umožnila zhromažďovanie.“

Citlivé merania však boli len prvým krokom k záveru, čo tieto zvláštne veci znamenajú pre rovnicu neutrónovej hviezdy. Za týmto účelom spojil Nandov výskumný tím v ICE-CSIC komplementárne odborné znalosti Alessia Marina, Clary Dehman a Konstantinosa Kovalakasa.

Alessio prevzal vedenie pri určovaní fyzikálnych vlastností neutrónových hviezd. Tím mohol odhadnúť teplotu neutrónových hviezd z röntgenových lúčov emitovaných z ich povrchu, zatiaľ čo veľkosť a rýchlosť okolitých zvyškov supernov poskytovali presnú indikáciu ich veku.

Následne sa Clara ujala vedenia pri výpočte „krivky chladenia“ neutrónovej hviezdy pre stavové rovnice zahŕňajúce rôzne chladiace mechanizmy. To zahŕňa vykreslenie toho, ako každý model predpovedá, ako sa v priebehu času mení svietivosť neutrónovej hviezdy – charakteristika priamo súvisiaca s jej teplotou. Tvar týchto kriviek závisí od mnohých rôznych vlastností neutrónovej hviezdy, pričom nie všetky sa dajú presne určiť z pozorovaní. Z tohto dôvodu tím vypočítal chladiace krivky pre rozsah možných hmotností neutrónových hviezd a intenzity magnetického poľa.

Nakoniec to všetko spojila štatistická analýza vedená Konstantinosom. strojové učenie Aby sa určilo, ako dobre sú simulované krivky chladenia v súlade s vlastnosťami čudákov, štúdia ukázala, že bez mechanizmu rýchleho chladenia majú stavové rovnice nulovú šancu na zhodu s údajmi.

„Výskum neutrónových hviezd prechádza mnohými vedeckými disciplínami, od časticovej fyziky až po gravitačné vlny„Úspech tejto práce ukazuje, aká základná je tímová práca pre pokrok v našom chápaní vesmíru,“ uzavrel Nanda.

Odkaz: „Obmedzenia rovnice hustej hmoty z mladých a studených izolovaných neutrónových hviezd“ A. Marino, C. Dehman, K. Kovalakas, N. Autor: Rhee, JA Ponce a D. Viganà, 20. júna 2024, prírodná astronómia,
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y