Stanovenie nových limitov pre vnútro neutrónových hviezd

Ako môžeme pochopiť prostredie, ktoré nie je možné replikovať na Zemi? Toto je výzva, ktorej astrofyzici neustále čelia. V niektorých prípadoch ide do značnej miery o to zistiť, ako dobre pochopená fyzika platí pre extrémne podmienky a potom porovnať výstupy týchto rovníc s pozorovaniami. Ale výraznou výnimkou je neutrónová hviezda, kde sa príslušné rovnice stávajú úplne neovládateľné a pozorovania neposkytujú veľa podrobností.

Takže, aj keď sme si celkom istí, že tieto telesá majú na svojom povrchu vrstvu takmer čistých neutrónov, nie sme si veľmi istí, čo sa môže nachádzať v ich vnútri.

Tento týždeň Nature uverejňuje štúdiu, ktorá sa nás snaží priblížiť k pochopeniu. Nedáva nám to odpoveď – stále je tu veľa neistoty. Je to však skvelá príležitosť pozrieť sa na proces, ako môžu vedci získať údaje z obrovského množstva zdrojov a začať tieto neistoty riešiť.

Čo je po neutróne?

Hmota, ktorá tvorí neutrónovú hviezdu, začína ako ionizované atómy v blízkosti jadra masívnej hviezdy. Akonáhle fúzne reakcie hviezdy prestanú produkovať dostatok energie na potlačenie gravitačnej príťažlivosti, táto hmota sa stiahne a zažije väčší tlak. Drvivá sila je dostatočná na to, aby zmazala hranice medzi atómovými jadrami a vytvorila obrovskú polievku protónov a neutrónov. Nakoniec sú elektróny v tejto oblasti tiež nútené do mnohých protónov, ktoré ich premieňajú na neutróny.

To nakoniec poskytuje silu na zatlačenie proti drviacej sile gravitácie. Kvantová mechanika bráni tomu, aby neutróny zostali v tesnej blízkosti rovnakého energetického stavu, a bráni tomu, aby sa neutróny priblížili, a preto sa zrútili do čiernej diery. Je však možné, že medzi kvapkou neutrónov a čiernou dierou existuje prechodný stav, kde sa hranice medzi neutrónmi začínajú rúcať, čo vedie k nepárnym kombináciám ich základných kvarkov.

Takéto interakcie sú riadené Silnou silou, ktorá spája kvarky dohromady na protóny a neutróny a potom na protóny a neutróny v atómovom jadre. Bohužiaľ, výpočty zahŕňajúce silnú silu sú výpočtovo extrémne nákladné. V dôsledku toho nie je možné prinútiť ich pracovať na type energie a hustote prítomných v neutrónovej hviezde.

To však neznamená, že sme uviazli. Máme odhad sily, ktorú možno vypočítať pri príslušných energiách. A hoci v nás zanechávajú značné neistoty, na obmedzenie týchto neistôt je možné použiť množstvo empirických dôkazov.

ako vidieť neutrónovú hviezdu

Neutrónové hviezdy sú pozoruhodné tým, že sú vzhľadom na svoju hmotnosť neuveriteľne kompaktné, pričom do objektu, ktorý má priemer iba 20 km, stláčajú viac ako hmotnosť Slnka. Najbližšia, o ktorej vieme, je vzdialená stovky svetelných rokov a väčšina z nich je veľmi, veľmi vzdialená. Zdá sa teda nemožné urobiť veľa v spôsobe zobrazovania týchto objektov, však?

Nie úplne. Mnoho neutrónových hviezd sa vyskytuje v systémoch obsahujúcich iný objekt – v niektorých prípadoch neutrónovú hviezdu. Spôsob, akým tieto dva objekty navzájom ovplyvňujú svoje dráhy, nám môže veľa povedať o hmotnosti neutrónovej hviezdy. NASA má tiež vyhradené observatórium neutrónových hviezd pripojené k Medzinárodnej vesmírnej stanici. NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer) využíva rad röntgenových teleskopov na otáčanie detailných snímok neutrónových hviezd. To mu umožnilo robiť veci ako stopa správanie jednotlivých horúcich miest na povrchu hviezdy.

Pre túto úlohu kritickejšie môže NICER odhaliť skreslenie časopriestoru okolo veľkých neutrónových hviezd a použiť ich na generovanie primerane presných odhadov ich veľkosti. Ak sa to spojí so solídnym odhadom hmotnosti neutrónovej hviezdy, je možné zistiť hustotu a porovnať ju s hustotou, ktorú by ste očakávali od čistého neutrónu.

Ale pokiaľ ide o hodnotenie zloženia neutrónových hviezd, neobmedzujeme sa len na fotóny. V posledných rokoch, zlúčenie neutrónových hviezd Detekuje sa prostredníctvom gravitačných vĺn a presné detaily tohto signálu závisia od vlastností spájajúcich sa hviezd. Takže tieto fúzie môžu tiež pomôcť vylúčiť niektoré možné modely neutrónových hviezd.