Fizycy nakładają nowe ograniczenia na rozmiary gwiazd neutronowych

Zakres rozmiarów typowej gwiazdy neutronowej w porównaniu do rozmiarów miasta Frankfurt. Źródło: Lukas Weih, Goethe University, zdjęcie satelitarne: GeoBasis-DE/BKG (2009) Google

Jak duża jest gwiazda neutronowa? Dotychczasowe szacunki mówią o ośmiu do szesnastu kilometrów. Astrofizykom z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie oraz FIAS udało się teraz określić rozmiary gwiazd neutronowych z dokładnością do 1,5 kilometra, dzięki wykorzystaniu wyrafinowanego podejścia statystycznego wspartego danymi z obserwacji fal grawitacyjnych. Artykuł naukowy opisujący odkrycie opublikowany został w aktualnym wydaniu Physical Review Letters.

Gwiazdy neutronowe to najgęstsze obiekty we Wszechświecie, o masie większej od masy Słońca, i ściśnięte w stosunkowo małą sferę, której średnicę można porównać do rozmiarów Frankfurtu. W rzeczywistości to tylko ogólne szacunki. Przed ponad 40 lat oszacowanie rozmiarów gwiazd neutronowych było świętym graalem fizyki jądrowej, którego odnalezienie dostarczyłoby ważnych informacji o podstawowym zachowaniu materii w zakresie gęstości jądrowych.

Dane z odkrycia fal grawitacyjnych pochodzących z procesu łączenia się gwiazd neutronowych (GW170817) stanowią istotny wkład w rozwiązanie tej zagadki. Pod koniec 2017 roku prof. Luciano Rezzolla z Instytutu Fizyki Teoretycznej na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie wraz ze swoimi studentami Eliasem Mostem oraz Lukasem Weih wykorzystał te dane do szukania odpowiedzi na odwieczne pytanie o maksymalną masę, jaką mogą osiągnąć gwiazdy neutronowe zanim zapadną się w czarną dziurę – wynik, który został także potwierdzony przez różne inne grupy badawcze z całego świata. Po tym pierwszym ważnym osiągnięciu, ten sam zespół, przy pomocy prof. Juergena Schaffnera-Bielicha zajął się nałożeniem ciaśniejszych ograniczeń na rozmiary gwiazd neutronowych.

Głównym problemem jest fakt, że nie znamy równania stanu, które opisuje materię wewnątrz gwiazd neutronowych. Z tego też powodu fizycy zdecydowali się pójść inną ścieżką: wybrali metody statystyczne do określenia rozmiarów gwiazd w wąskim zakresie granic. Aby ustalić nowe ograniczenia, badacze obliczyli ponad dwa miliardy modeli teoretycznych gwiazd neutronowych, rozwiązując równania Einsteina opisujące równowagę tych relatywistycznych gwiazd i połączyli ten potężny zestaw danych z ograniczeniami wyprowadzonymi z wykrycia fal grawitacyjnych GW170817.

“Podejście tego typu nie jest niczym nietypowym w świecie fizyki teoretycznej” mówi Rezzolla, dodając “Analizując wyniki dla wszystkich możliwych wartości parametrów, możemy skutecznie zredukować niepewności”. W ten sposób badacze byli w stanie określić promień typowej gwiazdy neutronowej z dokładnością do 1,5 kilometra: jego wartość zawiera się w zakresie od 12 do 13,5 kilometra. Wynik ten będzie można jeszcze bardziej uściślić po kolejnych odkryciach fal grawitacyjnych.

“Niemniej jednak, jest tu jeszcze jeden haczyk, bowiem gwiazdy neutronowe mogą występować w dwóch formach” mówi Schaffner-Bielich. W rzeczywistości możliwe jest, że w tak ultrawysokich gęstościach, materia drastycznie zmienia swoje własności i przechodzi tak zwaną “przemianę fazową”. Przypomina ona to co się dzieje gdy woda zamarza i przechodzi ze stanu ciekłego w stały. W przypadku gwiazd neutronowych, przejście to może zamieniać materię zwyczajną w tak zwaną materię kwarkową, przez co możemy mieć do czynienia z gwiazdami, które mają dokładnie taką samą masę jak ich bliźniaczki neutronowe, ale znacznie mniejsze i tym samym jeszcze bardziej kompaktowe.

Choć jak na razie nie ma żadnych dowodów na istnienie takich gwiazd, stanowią one jedno z możliwych rozwiązań i badacze z Frankfurtu także taką możliwość wzięli pod uwagę, nawet pomimo dodatkowych komplikacji, które takie gwiazdy wprowadzają. Wysiłek jednak w końcu się opłacił, bowiem przeprowadzone obliczenia zwróciły nieoczekiwany wynik: takie bliźniacze gwiazdy są statystycznie rzadkie i nie ulegają zbyt dużym deformacjom w procesie łączenia dwóch takich gwiazd. To istotne odkrycie, ponieważ umożliwia ono naukowcom potencjalne wykluczenie istnienia tych bardzo kompaktowych obiektów. Przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych tym samym pozwolą nam stwierdzić czy gwiazdy neutronowe mają takie egzotyczne bliźniaczki.

Źródło: Goethe University Frankfurt am Main