Jak masywne mogą być gwiazdy neutronowe?

Credit: Goethe-Universität Frankfurt am Main

Astrofizycy z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie nałożyli nowe górne ograniczenie masy gwiazd neutronowych: nie mogą one być masywniejsze niż 2,16 masy Słońca.

Od odkrycia gwiazd neutronowych w latach sześćdziesiątych XX wieku, naukowcy poszukiwali odpowiedzi na bardzo ważne pytanie: jak masywne mogą być gwiazdy neutronowe? W przeciwieństwie do czarnych dziur, obiekty te nie mogą przyjmować dowolnej masy; powyżej pewnego limitu niema żadnej naturalnej siły fizycznej, która może oprzeć się ich grawitacji. Jako pierwszym w historii, astrofizykom z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie udało się obliczyć górną granicę masy gwiazd neutronowych.

Przy promieniu około 12 kilometrów i masie równej nawet dwóm masom Słońca, gwiazdy neutronowe są jednym z najgęstszych obiektów we wszechświecie, wytwarzających pole grawitacyjne porównywalne z polem grawitacyjnym czarnych dziur. Podczas gdy większość gwiazd neutronowych ma masę około 1,4 masy Słońca, znamy także kilka bardziej masywnych przypadków, np. PSR J0348+0432 o masie 2,01 masy Słońca.

Gęstość tych gwiazd jest ogromna, można ją porównać z wciśnięciem całego masywu Himalajów do kufla do piwa. Aczkolwiek istnieją wskazówki mówiące, że gwiazda neutronowa o maksymalnej masie zapadłaby się w czarną dziurę nawet po dodaniu jednego neutronu.

[AdSense-A]

Profesor Luciano Rezzolla, fizyk z FIAS we Frankfurcie oraz profesor astrofizyki teoretycznej na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie wraz ze swoimi studentami rozwiązał teraz problem, który pozostawał nierozwiązany od 40 lat: Z dokładnością do kilku procent udało się ustalić,że maksymalna masa nierotującej gwiazdy neutronowej nie może przekroczyć 2,16 masy Słońca.

Wyniki ustalono na podstawie podejścia „uniwersalnych związków” opracowanych we Frankfurcie kilka lat temu. Istnienie „uniwersalnych związków” wskazuje, że praktycznie wszystkie gwiazdy neutronowe wyglądają tak samo, tzn. ich własności można wyrazić w wartościach bezwymiarowych. Badacze połączyli podejście zakładające „uniwersalne relacje” z danymi o falach grawitacyjnych i następującym po nim promieniowaniu elektromagnetycznym (kilonowa) uzyskanymi w ubiegłym roku podczas obserwacji procesu łączenia się dwóch gwiazd neutronowych. Znacząco uprościło to obliczenia, ponieważ w ten sposób stały się one niezależne od równania stanu. To równanie jest modelem teoretycznym wykorzystywanym do opisywania gęstej materii wewnątrz gwiazdy, który dostarcza informacji o składzie chemicznym kolejnych warstw wewnętrznych gwiazdy.Taki uniwersalny związek odegrał zatem zasadniczą rolę w określaniu nowej masy maksymalnej.

Odkrycie stanowi doskonały przykład oddziaływań zachodzących między badaniami teoretycznymi a eksperymentalnymi. Piękno badań teoretycznych leży w tym, że dostarcza ona przewidywań. Jednak teoria potrzebuje eksperymentów, aby zminimalizować niektóre niepewności – mówi prof. Rezzolla. Tym bardziej zdumiewający jest fakt, że obserwacje jednego połączenia dwóch gwiazd neutronowych, do którego doszło miliony lat temu połączone z uniwersalnymi związkami odkrytymi w trakcie badań teoretycznych pozwoliły nam na rozwiązanie zagadki, nad którą głowiliśmy się od tak dawna.

Wyniki badań opublikowano w liście do Astrophysical Journal. Zaledwie kilka dni później grupa badawcza z USA i Japonii potwierdziła nasze wyniki, choć badali ten sam problem innymi i niezależnymi metodami.

Źródło: Uniwersytet Goethego w Frankfurcie