Forskere har opnået deres bedste måling endnu af størrelsen og indholdet af en neutronstjerne, et ultratæt objekt, der indeholder den underligste og sjældneste stof i universet.
Denne måling kan føre til en bedre forståelse af naturens byggeklodser - protoner, neutroner og deres bestanddele kvarker - når de er komprimeret inde i neutronstjernen til en massefylde billioner gange større end på Jorden.
Dr. Tod Strohmayer fra NASA's Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., Og hans kollega, Adam Villarreal, en kandidatstuderende ved University of Arizona, præsenterer disse resultater i dag under en webbaseret pressekonference i New Orleans på mødet i High Energy Astrophysics Division i American Astronomical Society.
De sagde, at deres bedste skøn over radius for en neutronstjerne er 11 miles (11,5 kilometer), plus eller minus en spadseretur omkring det franske kvarter. Massen ser ud til at være 1,75 gange Solens sol, mere massiv end nogle teorier forudsiger. De foretog deres målinger med NASAs Rossi X-ray Timing Explorer og arkiverede røntgendata
Den længe efterspurgte masse-radius-relation definerer neutronstjernens interne densitet og trykforhold, den såkaldte ligning af staten. Og dette bestemmer igen, hvilken slags stof der kan eksistere i en neutronstjerne. Indholdet tilbyder en afgørende test for teorier, der beskriver den grundlæggende natur af stof og energi og styrken af nukleare interaktioner.
”Vi vil virkelig gerne få fat på tingene i midten af en neutronstjerne,” sagde Strohmayer. ”Men da vi ikke kan gøre det, handler det om den næste bedste ting. En neutronstjerne er et kosmisk laboratorium og giver den eneste mulighed for at se virkningerne af stof, der er komprimeret i en sådan grad. ”
En neutronstjerne er kernestyrerne af en stjerne, der engang er større end solen. Det indre indeholder stof under kræfter, der måske eksisterede i Big Bang-øjeblikket, men som ikke kan duplikeres på Jorden. Neutronstjernen i dagens meddelelse er en del af et binært stjernesystem ved navn EXO 0748-676, beliggende i stjernebilledet Volans, eller Flying Fish, ca. 30.000 lysår væk, synligt i sydlige himmel med et stort baghaveteleskop.
I dette system kaster gas fra en "normal" ledsagerstjerne ned på neutronstjernen, tiltrukket af tyngdekraften. Dette udløser termonukleære eksplosioner på neutronstjerneoverfladen, der lyser op i regionen. Sådanne bursts afslører ofte neutronstjernes spinhastighed gennem en flimring i røntgenstrålingen, der kaldes en burst-oscillation. (Se artikler 1 - 6 for en kunstners koncept om denne proces. En film og en detaljeret billedtekst kan findes i den blå kolonne til højre.)
Forskerne opdagede en 45-hertz burst-svingningsfrekvens, der svarer til en neutronstjernespinhastighed på 45 gange pr. Sekund. Dette er et afslappet tempo for neutronstjerner, som ofte ses snurret over 300 gange i sekundet.
Forskerne kapitaliserede derefter næste på EXO 0748-676 observationer med Det Europæiske Rumagenturs XMM-Newton-satellit fra 2002, ledet af Dr. Jean Cottam fra NASA Goddard. Cottams team havde opdaget spektrale linjer udsendt af varm gas, svarende til linjerne i et kardiogram. Disse linjer havde to funktioner. Først blev de Doppler forskudt. Dette betyder, at den detekterede energi var et gennemsnit af lyset, der drejede rundt om neutronstjernen, bevægede sig væk fra os og derefter mod os. For det andet blev linjerne gravitationsmæssigt rødskiftet. Dette betyder, at tyngdekraften trak lyset, da det forsøgte at undslippe regionen og stjæle lidt af sin energi.
Strohmayer og Villarreal bestemte, at 45-hertz-frekvensen og de observerede linjebredder fra Doppler-skift er i overensstemmelse med en neutronstjerne radius mellem 9,5 og 15 kilometer, med det bedste estimat på 11,5 kilometer. Forholdet mellem burst-frekvens, Doppler-skift og radius er, at hastigheden af gas, der hvirvler rundt på stjernens overflade, afhænger af stjernens radius og dens omdrejningshastighed. I det væsentlige svarer en hurtigere drejning til en bredere spektrallinje (en teknik, der ligner, hvordan en statstrover kan registrere hurtige biler).
Cottam-holdets gravitationsrødskiftmåling tilbød det første mål for et masseradius-forhold, omend uden kendskab til en masse og radius. Dette skyldes, at graden af rødskiftning (tyngdekraft) afhænger af neutronstjernens masse og radius. Nogle forskere havde stillet spørgsmålstegn ved denne måling, for de detekterede spektrallinjer virkede for snæver. De nye resultater styrker den tyngdekraftige rødskifttolkning af Cottam-teamets spektrale linjer (og dermed masseradius-forholdet), fordi en langsommere spindingstjerne let kan producere så relativt smalle linier.
Så, stadig mere sikker på masse-radius-forholdet og nu ved at kende radius, kunne forskerne beregne neutronstjernens masse. Værdien var mellem 1,5 og 2,3 solmasser, med det bedste estimat til 1,75 solmasser.
Resultatet understøtter teorien om, at stof i neutronstjernen i EXO 0748-676 er pakket så tæt, at næsten alle protoner og elektroner presses ind i neutroner, der hvirver rundt som en overfladisk, en væske, der flyder uden friktion. Alligevel er sagen ikke pakket så tæt, at kvarkerne frigøres, en såkaldt kvarkstjerne.
”Vores resultater begynder virkelig at presse på neutronstjernes ligning af staten,” sagde Villareal. ”Det ser ud som tilstandsligninger, der forudsiger, at meget store eller meget små stjerner næsten er udelukket. Måske mere spændende er det, at vi nu har en observationsteknik, der skal give os mulighed for at måle masseradius-forholdet i andre neutronstjerner. ”
En foreslået NASA-mission kaldet Constellation X-ray Observatory ville have evnen til at foretage sådanne målinger, men med meget større præcision, for et antal neutronstjernesystemer.
Original kilde: NASA News Release
