Hvor stor er en neutronstjerne? Disse ekstreme, ultra-tætte kollapsede stjerner er forholdsvis små, hvad angår stjernernes genstande. I årevis har astronomer bundet neutronstjerner et sted mellem 19-27 km (12 til 17 miles) på tværs. Dette er faktisk ganske præcist i betragtning af afstande og egenskaber hos neutronstjerner. Men astronomer har arbejdet for at indsnævre det til et jævnt mere nøjagtig måling.
Et internationalt team af forskere har nu gjort netop det. Ved hjælp af data fra flere forskellige teleskoper og observatorier har medlemmer af Max Planck Institute for Gravitational Physics, Albert Einstein Institute (AEI) indsnævret størrelsesestimaterne for neutronstjerner med en faktor på to.
”Vi finder ud af, at den typiske neutronstjerne, der er cirka 1,4 gange så tung som vores sol har en radius på ca. 11 kilometer,” sagde Badri Krishnan, der ledede forskerteamet ved AEI Hannover. ”Vores resultater begrænser radius til sandsynligvis at være et sted mellem 10,4 og 11,9 kilometer.”
Det svarer til mellem 20,8 - 23,8 km (13-14,8 miles) i diameter.
Formålet med dette holds undersøgelse er temmelig berømt: den binære neutronstjernefusion GW170817, som skabte tyngdekraftsbølger, der blev påvist i 2017 af LIGO (Laser-Interferometer Gravitational Wave Observatory) og Virgo-konsortiet. Dette objekt er blevet undersøgt adskillige gange af flere teleskoper, inklusive Fermi-satellitten, Hubble-rumteleskopet og andre teleskoper og observatorier rundt om i verden. Alle disse observationer gav Max Planck-teamet en bådfylde med data at arbejde med.
”Fusioner af binær neutronstjerne er en guldmine af information!” sagde Collin Capano, forsker ved AEI Hannover og hovedforfatter af et papir udgivet i Nature Astronomy. ”Neutronstjerner indeholder den tætteste stof i det observerbare univers. ... Ved at måle disse objekters egenskaber lærer vi om den grundlæggende fysik, der styrer stof på det subatomære niveau. ”
Neutronstjerner dannes, når en massiv stjerne løber tør for brændstof og kollapser. Den meget centrale region af stjernen - kernen - kollapser og knuser hvert proton og elektron sammen til en neutron. Hvis kernen i den sammenbrudte stjerne er mellem ca. 1 og 3 solmasser, kan disse nyoprettede neutroner stoppe sammenbruddet og efterlade en neutronstjerne.
Stjerner med endnu højere masser vil fortsætte med at kollapse i sorte huller i stjernemasse.
Men sammenbruddet i en neutronstjerne skaber den kendte tætte genstand - igen et objekt med massen af en sol knust ned til størrelsen af en by. Og du har sikkert hørt denne anden sammenligning før, men det er værd at gentage på grund af, hvor dramatisk det er: Én sukkerterning af neutronstjernemateriale ville veje ca. 1 billioner kilogram (eller 1 milliard ton) på Jorden - omtrent lige så meget som Mount Everest.
Forskningsteamet brugte en model baseret på den grundlæggende forståelse af, hvordan subatomære partikler interagerer ved de høje tætheder, der findes inde i neutronstjerner.
Men da størrelsen på andre stjerner kan variere vidt, kan ikke størrelsen på neutronstjerner også variere?
For det første, for at afklare, er den radius, der er citeret i denne undersøgelse, for en neutronstjerne, der har en masse 1,4 gange størrelsen af vores sol.
”Dette er en fiducial masse, der typisk bruges i litteraturen, fordi næsten alle neutronstjerner, der er blevet observeret i et binært, har en masse tæt på denne værdi,” fortalte Capano til Space Magazine i en e-mail. ”Årsagen til at vi kan bruge GW170817 til at estimere radius for 1,4 solmasse-neutronstjerne er, at vi forventer, at næsten alle neutronstjerner er lavet af de samme ting.”
For andre "regelmæssige" stjerner afhænger forholdet mellem deres masse og radius af et antal variabler, såsom det element, som stjernen smelter sammen i sin kerne, forklarede Capano.
”Neutronstjerner er på den anden side så kompakte og tætte, at der ikke rigtig er separate atomer i dem - hele stjernen er dybest set en kæmpe enkelt atomkerne, der næsten udelukkende består af neutroner pakket tæt sammen,” sagde han. ”Derfor kan du ikke tænke på neutronstjerner som sammensat af muligvis forskellige elementer. Faktisk har 'element' ikke rigtig betydning ved disse tætheder, da det, der definerer et element, er antallet af protoner, det har i dets bestanddele atomer. «
Capano sagde, at da alle neutroner er lavet af de samme ting (kvarker, der holdes sammen af gluoner), forventer astronomer, at der er en universel kortlægning mellem massen og radius, der gælder for alle neutronstjerner.
”Så når vi citerer den mulige størrelse på 1,4 sol-massneutronstjerne, er det, vi rent faktisk gør, at begrænse de mulige fysiske regler, der beskriver den subatomære verden,” sagde han.
Som teamet beskriver i deres papir, kan deres resultater og processer også anvendes til studiet af andre astronomiske objekter, f.eks. Pulsarer, magnetarer og endda måden, hvordan gravitationsbølger udsendes for at give detaljer om, hvad der skaber disse bølger.
”Disse resultater er spændende, ikke kun fordi vi har været i stand til i høj grad at forbedre neutronstjerne radiusmålinger, men fordi det giver os et vindue ind i neutronstjernes ultimative skæbne i fusionering af binære grupper,” sagde Stephanie Brown, medforfatter til publikationen og en ph.d.-studerende ved AEI Hannover.
Mere:
Paper: Strenge begrænsninger på neutronstjerne radier fra multimessenger observationer og nuklear teori
Max Planck Institute pressemeddelelse
