stelele neutronice sunt rămășițele unor stele masive după ce devin supernove; în timp ce straturile exterioare ale stelei explodează spre exterior creând artificii literalmente la scară cosmică, miezul stelei se prăbușește, devenind incredibil de comprimat. Dacă miezul are suficientă masă, va deveni o gaură neagră, dar dacă este timid de această limită, va deveni o minge ultra-densă formată în mare parte din neutroni.
statisticile pentru stelele neutronice sunt îngrijorătoare. Au o masă de până la peste două ori mai mare decât Soarele, dar densitatea unui nucleu atomic: peste 100 de trilioane de grame pe centimetru cub. E greu de înțeles, dar gândește-te astfel: dacă ai comprima fiecare mașină din Statele Unite în materie de stele neutronice, ai obține un cub de 1 centimetru pe o parte. Dimensiunea unui cub de zahăr sau a unei matrițe cu șase fețe. Întreaga umanitate comprimată într-o astfel de stare ar fi mai mică de două ori decât lățimea.
stelele neutronice au o gravitație de suprafață de sute de miliarde de ori mai mare decât cea a Pământului, iar câmpurile magnetice sunt și mai puternice. O stea neutronică aflată la jumătatea galaxiei de noi a avut un eveniment seismic care ne-a afectat fizic aici pe Pământ, la 50.000 de ani lumină distanță.
totul despre stelele neutronice este terifiant. Dar pentru toate acestea, încă nu suntem siguri cât de mari sunt.
o stea neutronică rotativă cu un câmp magnetic puternic biciuiește particule subatomice în jurul ei. Credit de artă: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Universitatea de Stat Sonoma
adică, avem o idee aproximativă, dar numărul exact este dificil de determinat. Sunt prea mici pentru a vedea direct, așa că trebuie să deducem dimensiunea lor din alte observații, iar acestea sunt afectate de incertitudini. Dimensiunea lor depinde și de masa lor. Dar folosind observații ale razelor X și alte emisii de la stelele neutronice, astronomii au descoperit că au un diametru de 20-30 de kilometri. Asta e mic, pentru o masă atât de mare! Dar este, de asemenea, o gamă iritantă de mare. Putem face mai bine?
Da! Un grup de oameni de știință au abordat problema într-un mod diferit și au reușit să restrângă dimensiunea acestor fiare feroce, dar mici: Ei au descoperit că, pentru o stea neutronică cu o masă de 1,4 ori mai mare decât Soarele (aproximativ medie pentru astfel de lucruri), va avea un diametru de 22,0 kilometri (cu o incertitudine de +0,9/-0,6 km). Ei consideră că calculul lor este un factor de două mai precis decât oricare altul făcut înainte.
asta e … mic. Foarte mic. Aș considera 22 km o scurtă plimbare cu bicicleta, deși pentru a fi corect să o faci pe o stea neutronică ar fi dificil.
o stea neutronică este incredibil de mică și densă, împachetând masa Soarelui într-o minge la doar câțiva kilometri. Această lucrare de artă descrie una în comparație cu Manhattan. Credit: Centrul de zbor spațial Goddard al NASA
Deci, cum au ajuns acest număr? Fizica pe care au folosit — o este de fapt extrem de complicată, dar ceea ce au făcut de fapt a fost să rezolve ecuația de stare a unei stele neutronice — ecuațiile fizice care leagă caracteristicile unui obiect precum presiunea, volumul și temperatura-pentru a obține condițiile pentru o stea neutronică model cu masa fixată la 1,4 ori mai mare decât cea a soarelui.
au folosit apoi aceste rezultate și le-au comparat cu observațiile unui eveniment din 2017: o fuziune a două stele neutronice care a dus la o explozie colosală numită kilonova. Acest eveniment, numit GW170817, a fost un moment uriaș pentru astronomie, deoarece stelele neutronice care se ciocnesc au emis unde gravitaționale puternice, agitând literalmente țesătura universului. Aceasta a fost prima noastră alertă la eveniment, dar apoi o mare parte din telescoapele de pe și deasupra pământului au vizat partea cerului unde s-a găsit fuziunea și au văzut explozia în sine, kilonova. A fost prima dată când un eveniment a fost văzut emițând energie electromagnetică (adică lumină) care a fost văzută pentru prima dată în undele gravitaționale.
lucrări de artă care descriu momentul coliziunii dintre două stele neutronice. Explozia rezultată este … destul de mare. Credit: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
de asemenea, a pus o mulțime de constrângeri asupra stelelor neutronice care s-au ciocnit. De exemplu, după ce s-au contopit, au emis lumină într-un mod specific și se pare că era incompatibil cu rămășița fuzionată care avea suficientă masă pentru a se prăbuși direct într-o gaură neagră. Acest lucru se întâmplă în jur de 2,4 ori masa Soarelui, așa că știm că cele două stele împreună au avut mai puțină masă atunci. În schimb, lumina a fost inconsistentă cu rămășița fiind o stea neutronică cu mult sub această limită. Se pare că o stea neutronică” hipermasivă ” s-a format lângă această limită, a durat un timp foarte scurt și apoi s-a prăbușit într-o gaură neagră.
toate aceste date au fost furaje pentru oamenii de știință care au calculat dimensiunea stelei neutronice. Comparând modelele lor cu datele de la GW170817, au reușit să reducă foarte mult gama de dimensiuni care aveau sens, reducând la zero diametrul de 22 km.
această dimensiune are implicații interesante. De exemplu, un lucru pe care oamenii de știință speră să-l vadă este fuziunea unei găuri negre și a unei stele neutronice. Acest lucru va fi cu siguranță detectabil, dar întrebarea este va emite orice lumină pe care telescoapele mai tradiționale o pot vedea? Acest lucru se întâmplă atunci când materialul de la Steaua neutronică este expulzat în timpul fuziunii, generând multă lumină.
oamenii de știință din această nouă lucrare au analizat numerele și au descoperit că pentru o stea neutronică de 1,4 mase solare și 22 km diametru, orice gaură neagră mai mare de aproximativ 3,4 ori masa Soarelui nu ar scoate niciun material! Aceasta este o masă foarte mică pentru o gaură neagră și este foarte puțin probabil să vedem o masă atât de mică, în special una cu o stea neutronică pe care o poate mânca. Deci, ei prezic că acest eveniment va fi văzut doar în unde gravitaționale și nu în lumină. Pe de altă parte, asta este doar pentru găurile negre care nu se rotesc și, în realitate, majoritatea vor avea o rotire rapidă; nu este clar ce s-ar întâmpla acolo, dar îmi imaginez că mulți oameni își vor rula din nou modelele pentru a vedea ce pot prezice.
a avea dimensiunea unei stele neutronice înseamnă a putea înțelege mai bine ce se întâmplă pe măsură ce se rotesc, deoarece câmpurile lor magnetice ridicol de puternice afectează materialul din jurul lor, cum acumulează material nou și ce se întâmplă în apropierea limitei de masă dintre o stea neutronică și o gaură neagră. Chiar mai bine, pe măsură ce oamenii Observatorului de unde gravitaționale LIGO/Virgo își ajustează echipamentul, se așteaptă ca sensibilitatea lor să crească, permițând observații mai bune ale fuziunilor stelelor neutronice, care pot fi apoi folosite pentru a strânge și mai mult constrângerile de dimensiune.
am fost fascinat de stelele neutronice toată viața mea și, ca să fiu sincer, aceasta este atitudinea corectă. Sunt resturi de la supernove; se ciocnesc și fac aur, platină, bariu și stronțiu; sunt Centrul de putere din spatele pulsarilor; pot genera explozii de energie care zdrobesc mintea; și sunt cele mai dense obiecte pe care le puteți considera încă în univers (obiectul fizic din orizontul evenimentelor unei găuri negre este pentru totdeauna dincolo de îndemâna noastră). Adică, haide. Sunt uimitoare.
și asta le mărește.