Ogromna gęstość gwiazd neutronowych: miękka lub sztywna
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 własności – od gęstości i temperatury – opisywane są za pomocą tzw. równań stanu. Równania te próbują opisać strukturę gwiazd neutronowych od powierzchni gwiazdy do jej wewnętrznego jądra.
Teraz fizykom z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie udało się dodać kolejne kluczowe elementy do układanki. Grupa robocza kierowana przez prof. Luciano Rezzollę z Instytutu Fizyki Teoretycznej opracowała ponad milion różnych równań stanu, które spełniają ograniczenia stawiane przez dane uzyskane z teoretycznej fizyki jądrowej z jednej strony i przez obserwacje astronomiczne z drugiej. 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) mają zamiast tego sztywny płaszcz i miękkie jądro. „Ten wynik jest bardzo interesujący, ponieważ daje nam bezpośrednią miarę tego, jak ściśliwe może być centrum 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.”
Kluczowa dla tego spostrzeżenia była prędkość dźwięku, będąca przedmiotem badań studenta studiów licencjackich Sinana Altiparmaka. Ta miara wielkości opisuje, jak szybko fale dźwiękowe rozchodzą się w obiekcie i zależy od tego, jak sztywna lub miękka jest materia. Tu, 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, wcześniej niewyjaśnione właściwości gwiazd neutronowych. Na przykład, niezależnie od ich masy, bardzo prawdopodobnie mają one promień zaledwie 12 km. Tym samym mają taką samą średnicę jak rodzinne miasto Uniwersytetu Goethego – Frankfurt. Autor dr Christian Ecker wyjaśnia: „Nasze obszerne badania numeryczne pozwalają nam nie tylko na przewidywania dotyczące promieni i mas maksymalnych 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, podczas gdy dokładna struktura i skład materii wewnątrz gwiazd neutronowych nadal pozostaje tajemnicą, oczekiwanie na jej odkrycie z pewnością można osłodzić czekoladą lub dwiema.
Źródło: Goethe University Frankfurt