Dem Inneren von Neutronensternen neue Grenzen setzen

Wie können wir Umgebungen verstehen, die auf der Erde nicht repliziert werden können? Dies ist eine Herausforderung, der sich Astrophysiker ständig stellen müssen. In einigen Fällen geht es vor allem darum, herauszufinden, wie man gut verstandene Physik auf extreme Bedingungen anwendet, und dann das Ergebnis dieser Gleichungen mit Beobachtungen zu vergleichen. Aber die bemerkenswerte Ausnahme davon ist der Neutronenstern, wo die relevanten Gleichungen ziemlich knifflig werden und die Beobachtungen nicht viele Details liefern.

Obwohl wir sicher sind, dass sich nahe der Oberfläche dieser Objekte eine Schicht aus nahezu reinen Neutronen befindet, sind wir uns nicht ganz sicher, was in ihrer innersten Tiefe vorhanden sein könnte.

Diese Woche veröffentlicht Nature eine Studie, die versucht, uns dem Verständnis näher zu bringen. Sie gibt uns keine Antwort – es gibt noch viel Unsicherheit. Aber es ist eine großartige Gelegenheit, sich den Prozess anzusehen, wie Wissenschaftler Daten aus einer Vielzahl von Quellen entnehmen und damit beginnen können, diese Unsicherheiten zu verringern.

Was ist mit Neutronen?

Die Materie, aus der Neutronensterne bestehen, beginnt als ionisierte Atome in der Nähe des Kerns eines massereichen Sterns. Sobald die Fusionsreaktionen eines Sterns aufhören, genügend Energie zu produzieren, um der Gravitationskraft entgegenzuwirken, zieht sich dieses Material zusammen und erfährt zunehmenden Druck. Die Brechkraft reicht aus, um die Grenzen zwischen Atomkernen aufzuheben, wodurch eine riesige Suppe aus Protonen und Neutronen entsteht. Am Ende werden sogar die Elektronen in der Region gezwungen, viele Protonen zu bilden und sie in Neutronen umzuwandeln.

Dies stellt schließlich eine Kraft bereit, um die Brechkraft der Schwerkraft zu komprimieren. Die Quantenmechanik verhindert, dass Neutronen in unmittelbarer Nähe denselben Energiezustand einnehmen, und dies verhindert, dass sich Neutronen nähern, und verhindert somit, dass sie in ein Schwarzes Loch kollabieren. Aber es ist möglich, dass es einen Zwischenzustand zwischen einer Masse von Neutronen und einem Schwarzen Loch gibt, in dem die Grenzen zwischen Neutronen zu kollabieren beginnen, was zu seltsamen Clustern ihrer konstituierenden Quarks führt.

Diese Arten von Wechselwirkungen unterliegen der starken Kraft, die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenbindet und diese Protonen und Neutronen dann zu Atomkernen bindet. Leider sind Berechnungen mit extremer Kraft sehr rechenintensiv. Infolgedessen ist es nicht möglich, sie mit den Energien und Dichten eines Neutronensterns zum Arbeiten zu bringen.

Aber das bedeutet nicht, dass wir feststecken. Wir haben grobe Schätzungen der starken Kraft, die bei den relevanten Energien berechnet werden kann. Und obwohl diese uns große Zweifel hinterlassen, ist es möglich, eine Vielzahl von empirischen Beweisen zu verwenden, um diese Unsicherheiten zu reduzieren.

Wie sieht man einen Neutronenstern an?

Neutronensterne sind für ihre Masse unglaublich kompakt und quetschen eine Masse, die größer ist als die Masse der Sonne, in ein nur etwa 20 km breites Objekt. Der nächste, den wir kennen, ist Hunderte von Lichtjahren entfernt, und das meiste davon ist viel weiter entfernt. Es scheint also unmöglich zu sein, viel mit der Art und Weise zu tun, wie diese Dinge dargestellt werden, oder?

Nicht vollständig. Viele Neutronensterne befinden sich in Systemen mit einem anderen Körper – in einigen Fällen einem Neutronenstern. Die Art und Weise, wie diese beiden Objekte die Bahnen des anderen beeinflussen, kann uns viel über die Masse eines Neutronensterns sagen. Die NASA hat auch ein spezielles Neutronenstern-Observatorium, das an die Internationale Raumstation angeschlossen ist. NICER (Nutron Star Interior Composition Explorer) verwendet eine Reihe von Röntgenteleskopen, um detaillierte Bilder von sich drehenden Neutronensternen zu erhalten. Dadurch konnte sie beispielsweise eine Datei verfolgen Verhalten einzelner Hotspots auf der Oberfläche des Sterns.

Und das Wichtigste für diese Arbeit, NICER .can Erkennung von Raumzeitverzerrungen um große Neutronensterne herum und verwenden Sie dies, um eine ziemlich genaue Schätzung ihrer Größe zu erhalten. In Kombination mit einer soliden Schätzung der Masse eines Neutronensterns ist es möglich, die Dichte herauszufinden und sie mit der Art von Dichte zu vergleichen, die Sie von etwas erwarten würden, das aus reinen Neutronen besteht.

Aber wir sind nicht nur auf Photonen beschränkt, wenn es darum geht, die Entstehung von Neutronensternen zu beurteilen. In den letzten Jahren , Verschmelzung von Neutronensternen Die genauen Details dieses Signals, das über Gravitationswellen erfasst wird, hängen von den Eigenschaften der Sterne ab, die die Verschmelzung durchführen. Daher könnten diese Fusionen auch dazu beitragen, einige potenzielle Neutronensternmodelle auszuschließen.