Dzięki obszernym obliczeniom modelowym fizycy doszli do ogólnych wniosków na temat wewnętrznej struktury gwiazd neutronowych, w których materia osiąga olbrzymie gęstości: w zależności od masy gwiazdy mogą mieć jądro, które jest albo bardzo sztywne, albo bardzo miękkie.
Wyniki badań zostały opublikowane 15 listopada 2022 roku jednocześnie w dwóch artykułach.
Jak dotąd niewiele wiadomo o wnętrzu gwiazd neutronowych, tych niezwykle zwartych obiektów, które mogą powstać po śmierci gwiazdy: masa naszego Słońca lub nawet większa zostaje ściśnięta w kulę o średnicy dużego miasta. Od czasu ich odkrycia ponad 60 lat temu, naukowcy próbują rozszyfrować ich strukturę. Największym wyzwaniem jest symulacja ekstremalnych warunków panujących wewnątrz gwiazd neutronowych, gdyż trudno je odtworzyć na Ziemi w laboratorium. Istnieje więc wiele modeli, w których różne właściwości – od gęstości i temperatury – opisuje się za pomocą tzw. równań stanu. Równania te próbują opisać strukturę gwiazd neutronowych od powierzchni gwiazdy do wewnętrznego jądra.
Teraz fizykom z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie udało się dodać kolejne kluczowe elementy do układanki. Luciano Rezzolla z Instytutu Fizyki Teoretycznej opracował ponad milion różnych równań stanu, które z jednej strony spełniają ograniczenia nałożone przez dane uzyskane z teoretycznej fizyki jądrowej, a z drugiej przez obserwacje astronomiczne. Oceniając równania stanu, grupa robocza dokonała zaskakującego odkrycia: „lekkie” gwiazdy neutronowe (o masach mniejszych niż około 1,7 masy Słońca) wydają się mieć miękki płaszcz i sztywne jądro, natomiast „ciężkie” gwiazdy neutronowe (o masach większych niż 1,7 masy Słońca) zamiast tego mają sztywny płaszcz i miękkie jądro. Ten wynik jest bardzo interesujący, ponieważ daje nam bezpośrednią miarę tego, jak ściśliwe może być jądro gwiazd neutronowych – mówi prof. Luciano Rezzolla. Gwiazdy neutronowe najwyraźniej zachowują się trochę jak czekoladowe pralinki: lekkie gwiazdy przypominają te czekoladki, które mają w środku orzech laskowy otoczony miękką czekoladą, podczas gdy ciężkie gwiazdy można uznać za bardziej podobne do tych czekoladek, w których twarda warstwa zawiera miękkie nadzienie.
Kluczowe znaczenie dla tego spostrzeżenia miała prędkość dźwięku, na której skupił się student studiów licencjackich Sinan Altiparmak. Ta miara wielkości opisuje, jak szybko fale dźwiękowe rozchodzą się w obiekcie i zależy od tego, jak sztywna lub miękka jest materia. Tutaj, na Ziemi, prędkość dźwięku jest wykorzystywana do badania wnętrza planety i odkrywania złóż ropy naftowej.
Modelując równania stanu, fizycy byli w stanie odkryć także inne, niewyjaśnione wcześniej właściwości gwiazd neutronowych. Na przykład, niezależnie od ich masy, z dużym prawdopodobieństwem mają one promień zaledwie 12 km. Autor pracy dr Christian Ecker wyjaśnia: Nasze obszerne badania numeryczne pozwalają nam nie tylko na przewidywania dotyczące mas maksymalnych i promieni gwiazd neutronowych, ale także na wyznaczenie nowych granic ich odkształcalności w układach podwójnych, czyli tego, jak silnie zniekształcają się nawzajem przez swoje pola grawitacyjne. Te spostrzeżenia staną się szczególnie ważne, aby wskazać nieznane równanie stanu za pomocą przyszłych obserwacji astronomicznych i detekcji fal grawitacyjnych z łączących się gwiazd.
Tak więc, chociaż dokładna struktura i skład materii wewnątrz gwiazd neutronowych nadal pozostaje tajemnicą, oczekiwanie na jej odkrycie z pewnością można osłodzić jedną lub dwiema czekoladkami.
Więcej informacji:
- Cosmic chocolate pralines: general neutron star structure revealed
- On the Sound Speed in Neutron Stars
- A General, Scale-independent Description of the Sound Speed in Neutron Stars
Źródło: Uniwersytet Goethego
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca: ciężką gwiazdę neutronową z sztywnym płaszczem i miękkim jądrem (po lewej) oraz lekką gwiazdę neutronową z miękkim płaszczem i sztywnym jądrem. Źródło: P. Kiefer/L. Rezzolla.
