Przejdź do treści

Jak masywne mogą być gwiazdy neutronowe?

Emisja fal grawitacyjnych z zapadającej się gwiazdy. Źródło: Goethe University

Od czasu ich odkrycia w latach sześćdziesiątych naukowcy próbowali odpowiedzieć na ważne pytanie: jak masywne mogą być gwiazdy neutronowe? W przeciwieństwie do czarnych dziur gwiazdy te nie mogą zyskać masy samoistnie. Po przekroczeniu pewnej granicy nie ma w przyrodzie siły fizycznej, która mogłaby przeciwstawić się ich ogromnej sile grawitacyjnej. Po raz pierwszy astrofizykom z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie udało się wyliczyć ścisłą górną granicę maksymalnej masy gwiazd neutronowych.

Przy promieniu około dwunastu kilometrów i masie, która może być dwa razy większa od masy Słońca, gwiazdy neutronowe należą do najgęstszych obiektów we Wszechświecie i tworzą pola grawitacyjne porównywalne z czarnymi dziurami. Większość gwiazd neutronowych ma masę 1,4 razy większą od Słońca, znane są też jednak także cięższe obiekty, takie jak na przykład pulsar PSR J0348+0432 z 2,01 masy Słońca.

Gęstość tych gwiazd jest ogromna, tak jakby całe Himalaje zostały ściśnięte w kuflu piwa. Istnieją jednak teorie, że gwiazda neutronowa o maksymalnej masie zapadłaby się w czarną dziurę gdyby dodano nawet pojedynczy atom.

Profesor Luciano Rezzolla, fizyk, starszy członek we Frankfurckim Instytucie Badań Zaawansowanych (FIAS) oraz profesor astrofizyki teoretycznej na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie, razem ze swoimi uczniami, Eliasem Mostem i Lukasem Weihem, rozwiązał problem, który pozostawał bez odpowiedzi przez czterdzieści lat: obliczył z dokładnością do kilku procent, że maksymalna masa nierotujących gwiazd neutronowych nie może przekroczyć 2,16 masy Słońca.

Podstawą tego wyniku było „uniwersalne relacje” opracowane we Frankfurcie kilka lat temu. Istnienie „uniwersalnych relacji” oznacza, że praktycznie wszystkie gwiazdy neutronowe „wyglądają podobnie”, co oznacza, że ich właściwości można wyrazić w kategoriach wartości bezwymiarowych. Badacze połączyli te „uniwersalne relacje” z danymi dotyczącymi sygnałów fal grawitacyjnych i emitowanego następnie promieniowania elektromagnetycznego uzyskanych podczas obserwacji w zeszłym roku dwóch łączących się gwiazd neutronowych (czyli tzw. kilonowej) w ramach eksperymentu LIGO. Ogromnie upraszcza to obliczenia, ponieważ uzależnia je od równania stanu. Równanie to jest modelem teoretycznym opisującym gęstą materię wewnątrz gwiazdy, dostarczającym informacji o jej składzie w różnych gęstościach. Taka uniwersalna relacja odgrywa więc istotną rolę w definiowaniu nowej masy maksymalnej gwiazd neutronowych.

Wynik jest dobrym przykładem wzajemnych zależności między badaniami teoretycznymi i eksperymentalnymi. Piękno badań teoretycznych polega na tym, że można przewidywać wyniki. Teoria jednak desperacko potrzebuje eksperymentów, aby zawęzić niektóre obszary niepewności. Z tego powodu niezwykłe jest to, że obserwacja pojedynczego połączenia się dwóch gwiazd neutronowych, które nastąpiło w ciągu milionów lat świetlnych, w powiązaniu z uniwersalnymi relacjami odkrytymi dzięki naszej pracy teoretycznej, pozwala nam rozwiązać zagadkę, wokół której powstało w przeszłości tyle spekulacji – mówi profesor Rezzolla.

Wyniki opublikowano w „The Astrophysical Journal”. Zaledwie kilka dni później grupy badawcze z USA i Japonii potwierdziły wyniki, mimo że do tej pory stosowały różne podejścia.

Oczekuje się, że astronomowie zajmujący się falami grawitacyjnymi zaobserwują więcej takich zdarzeń w niedalekiej przyszłości – zarówno sygnałów fal grawitacyjnych, jak i w bardziej tradycyjnych zakresach częstotliwości. Pozwoli to zmniejszyć niepewność co do maksymalnej masy i doprowadzi do lepszego zrozumienia tego, co dzieje się w ekstremalnych warunkach. Będzie to symulowane w nowoczesnych akceleratorach cząstek, na przykład w ośrodkach CERN w Szwajcarii lub w FAIR w Niemczech. 

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Więcej:
How massive can neutron stars be?

Źródło: Uniwersytet Goethego

Na zdjęciu: Emisja fal grawitacyjnych z zapadającej się gwiazdy. Źródło: Goethe University

Reklama