Neutronové hvězdy jsou některé z nejhustších objektů ve vesmíru. Hmota uvnitř je stlačena tak silně, že vědci zatím nevědí, jakou má formu. Jádro neutronové hvězdy se může skládat z husté polévky kvarků nebo může obsahovat exotické částice, které by nikde jinde ve vesmíru nemohly žít. Obrazový kredit: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al., vyd
Nedávná pozorování provedená teleskopy XMM-Newton Evropské vesmírné agentury NASADalekohled NASA Chandra odhalil tři neobvykle chladné mladé neutronové hvězdy, které zpochybňují současné modely tím, že ukazují, že chladnou mnohem rychleji, než se očekávalo.
Tento výsledek má významné důsledky, což naznačuje, že pouze několik z mnoha návrhů Neutronová hvězda Tyto modely jsou životaschopné a naznačují možnost průlomu v propojení teorií obecné relativity a kvantové mechaniky prostřednictvím astrofyzikálních pozorování.
Objev neobvykle studených neutronových hvězd
Observatoř XMM Newton Observatory ESA a observatoř Chandra NASA objevily tři mladé neutronové hvězdy, které jsou na svůj věk neobvykle chladné. Porovnáním jejich vlastností s různými modely neutronových hvězd vědci dospěli k závěru, že nízké teploty podivných hvězd vylučují asi 75 % známých modelů. Toto je velký krok k odhalení „stavové rovnice“ jedné neutronové hvězdy, která je všechny řídí, s důležitými důsledky pro základní zákony vesmíru.
Spolu s černými dírami jsou neutronové hvězdy jedny z nejzáhadnějších objektů ve vesmíru. Neutronová hvězda vzniká v posledních okamžicích života velmi velké hvězdy (více než osminásobek hmotnosti našeho Slunce), když nakonec dojde jaderné palivo v jejím jádru. V náhlém a násilném konci jsou vnější vrstvy hvězdy vyvrženy s obrovskou energií při explozi supernovy a zanechávají za sebou úžasná mračna mezihvězdného materiálu bohatého na prach a těžké kovy. Ve středu oblaku (mlhoviny) se husté jádro hvězdy smršťuje a vytváří neutronovou hvězdu. Černá díra se může také vytvořit, když je zbývající hmota jádra větší než přibližně tři hmotnosti Slunce. Copyright: Evropská kosmická agentura
Extrémní hustota a neznámé stavy hmoty
Po černých dírách s hvězdnou hmotností jsou neutronové hvězdy nejhustšími objekty ve vesmíru. Každá neutronová hvězda je kompaktním jádrem obří hvězdy, které zůstane po explozi hvězdy v supernově. Po vyčerpání paliva se jádro hvězdy zhroutí vlivem gravitace, zatímco jeho vnější vrstvy jsou vymrštěny do vesmíru.
Hmota ve středu neutronové hvězdy je tak pevně stlačena, že vědci stále nevědí, jaký tvar má. Neutronové hvězdy odvozují svůj název od skutečnosti, že pod tímto obrovským tlakem kolabují i atomy: elektrony se slučují s atomovými jádry a mění protony na neutrony. Ale mohlo by to být ještě podivnější: extrémní teplo a tlak by mohly stabilizovat exotičtější částice, které jinde nepřežijí, nebo by se částice mohly roztavit dohromady ve vířící polévce jejich kvarků.
V neutronové hvězdě (vlevo) jsou kvarky, které tvoří neutrony, uzavřeny v neutronech. V kvarkové hvězdě (vpravo) jsou kvarky volné, takže zabírají méně místa a průměr hvězdy je menší. Obrazový kredit: NASA/XC/M. Weiss
To, co se děje uvnitř neutronové hvězdy, popisuje takzvaná „stavová rovnice“, což je teoretický model, který popisuje fyzikální procesy, které mohou nastat uvnitř neutronové hvězdy. Problém je v tom, že vědci zatím nevědí, která ze stovek možných rovnic stavových modelů je správná. Zatímco chování jednotlivých neutronových hvězd může záviset na vlastnostech, jako je jejich hmotnost nebo rychlost rotace, všechny neutronové hvězdy musí dodržovat stejnou stavovou rovnici.
Důsledky pozorování ochlazování neutronových hvězd
Při zkoumání dat z observatoře ESA XMM Newton Observatory a observatoře Chandra NASA objevili vědci tři výjimečně mladé a chladné neutronové hvězdy, které jsou 10 až 100krát chladnější než jejich protějšky stejného věku. Porovnáním jejich vlastností s rychlostmi ochlazování předpovídanými různými modely vědci dospěli k závěru, že přítomnost těchto tří exotických hvězd vylučuje většinu navrhovaných stavových rovnic.
„Nízký věk a nízkou povrchovou teplotu těchto tří neutronových hvězd lze vysvětlit pouze vyvoláním mechanismu rychlého ochlazování, protože zesílené chlazení může být aktivováno pouze určitými stavovými rovnicemi, umožňuje nám to vyloučit velkou část možných modelů “ vysvětluje fyzik Nanda Rhea, jehož výzkumná skupina pracuje v Ústavu vesmírných věd (.ICE-CSIC) a Institut vesmírných studií Katalánska (Mezinárodní komise pro atomovou energii) vedl vyšetřování.
Sjednocení teorií studiem neutronové hvězdy
Objev skutečné stavové rovnice neutronové hvězdy má také důležité důsledky pro základní zákony vesmíru. Je známo, že fyzici zatím nevědí, jak propojit teorii obecné relativity (která popisuje účinky gravitace ve velkých měřítcích) s kvantovou mechanikou (která popisuje, co se děje na úrovni částic). Neutronové hvězdy jsou pro to nejlepším testovacím místem, protože mají hustotu a gravitaci, která daleko převyšuje vše, co můžeme na Zemi vytvořit.
Neutronové hvězdy jsou kompaktní jádra obřích hvězd, která zůstávají po explozi hvězdy v supernově. Je tak hustá, že množství hmoty neutronové hvězdy ekvivalentní kostce cukru váží tolik jako celá populace Země! Obrazový kredit: Evropská kosmická agentura
Spojení sil: čtyři kroky k objevu
Tři podivné neutronové hvězdy jsou tak studené, že jsou příliš slabé na to, aby je viděla většina rentgenových observatoří. „Vynikající citlivost observatoří XMM-Newton a Chandra umožnila nejen detekovat tyto neutronové hvězdy, ale také shromáždit dostatek světla k určení jejich teplot a dalších vlastností,“ říká Camille Diez, výzkumný pracovník ESA pracující na XMM. -Newtonovy údaje.
Citlivá měření však byla jen prvním krokem k tomu, abychom mohli vyvodit závěry o tom, co tyto podivnosti znamenaly pro stavovou rovnici neutronové hvězdy. Za tímto účelem spojil Nandův výzkumný tým v ICE-CSIC komplementární odborné znalosti Alessia Marina, Clary Dehmann a Konstantinose Kouvlaky.
Alessio byl průkopníkem v určování fyzikálních vlastností neutronových hvězd. Tým byl schopen odvodit teploty neutronových hvězd z rentgenového záření vyslaného z jejich povrchů, zatímco velikosti a rychlosti zbytků supernov, které je obklopují, poskytly přesné údaje o jejich stáří.
Clara se poté ujala vedení při výpočtu „chladicích křivek“ pro neutronové hvězdy pro stavové rovnice zahrnující různé chladicí mechanismy. To zahrnuje vykreslení toho, co každý model předpovídá, jak se bude svítivost neutronové hvězdy – rys přímo související s její teplotou – v průběhu času měnit. Tvar těchto křivek závisí na mnoha různých vlastnostech neutronové hvězdy, z nichž ne všechny lze přesně určit z pozorování. Z tohoto důvodu tým vypočítal křivky chlazení pro řadu možných hmotností neutronových hvězd a intenzity magnetického pole.
Nakonec statistická analýza vedená Constantinem dala vše dohromady. Strojové učení Aby bylo možné určit, jak dobře simulované křivky chlazení odpovídají vlastnostem podivných kuliček, studie ukázala, že stavové rovnice bez mechanismu rychlého chlazení mají nulovou šanci na shodu s údaji.
„Výzkum neutronových hvězd se týká mnoha vědeckých oborů, od částicové fyziky po… Gravitační vlny„Úspěch této práce dokazuje, jak důležitá je týmová práce pro pokrok našeho chápání vesmíru,“ uzavírá Nanda.
Odkaz: „Omezení stavové rovnice husté hmoty z mladých, chladných izolovaných neutronových hvězd“ od A. Marino, C. Dehmann, K. Koufelkas, N. Rea, J.A. Pons, D. Vigano, 20. června 2024, Přírodní astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y
„Hudební učenec. Spisovatel. Zlý slanina evangelista. Hrdý twitter narkoman. Myslitel. Milovník internetu. Jemně okouzlující hráč.“
