neutronensterren zijn de overblijfselen van massieve sterren nadat ze supernova zijn geworden; terwijl de buitenste lagen van de ster naar buiten exploderen en vuurwerk creëren, letterlijk op kosmische schaal, stort de kern van de ster in en wordt ongelooflijk gecomprimeerd. Als de kern genoeg massa heeft zal het een zwart gat worden, maar als het schuw is van die limiet zal het een ultradichte bal worden die voornamelijk bestaat uit neutronen.
de statistieken voor neutronensterren zijn ontnuchterend. Ze hebben een massa van maximaal twee keer de zon, maar de dichtheid van een atoomkern: meer dan 100 biljoen gram per kubieke centimeter. Dat is moeilijk te begrijpen, maar bekijk het op deze manier: als je elke auto in de Verenigde Staten zou comprimeren tot neutronensterren spul, zou je een kubus van 1 centimeter aan een kant krijgen. De grootte van een suikerklontje, of een zeszijdige dobbelsteen. De hele mensheid gecomprimeerd in zo ‘ n staat zou minder dan twee keer zo breed zijn.Neutronensterren hebben een oppervlaktezwaartekracht van honderden miljarden maal die van de aarde, en magnetische velden zijn nog sterker. Een neutronenster, de helft van het melkwegstelsel verwijderd, had een seismische gebeurtenis die ons fysiek beïnvloedde hier op aarde, 50.000 lichtjaar ver weg.
alles aan neutronensterren is angstaanjagend. Maar we weten nog steeds niet hoe groot ze zijn.
een roterende neutronenster met een krachtig magnetisch veld zweft er subatomaire deeltjes omheen op. Door: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Sonoma State University
we hebben een ruw idee, maar het exacte aantal is moeilijk te bepalen. Ze zijn te klein om direct te kunnen zien, dus we moeten hun grootte afleiden uit andere observaties, en die worden geplaagd door onzekerheden. Hun grootte hangt ook af van hun massa. Maar met behulp van waarnemingen van röntgenstralen en andere emissie van neutronensterren, hebben astronomen ontdekt dat ze een diameter hebben van 20-30 kilometer. Dat is klein, voor zo ‘ n enorme massa! Maar het is ook een irritant groot bereik. Kunnen we het beter doen?
Ja! Een groep wetenschappers heeft het probleem op een andere manier benaderd, en zijn in staat geweest om de grootte van deze woeste maar kleine beesten te verkleinen: Ze ontdekten dat een neutronenster met een massa van 1,4 maal de zon (ongeveer gemiddeld voor zulke dingen) een diameter van 22,0 kilometer zal hebben (met een onzekerheid van +0,9/-0,6 km). Ze vinden dat hun berekening is een factor van twee nauwkeuriger dan alle anderen eerder gedaan.
dat is… klein. Heel klein. Ik zou 22 km een korte fietstocht overwegen, maar om eerlijk te zijn zou het moeilijk zijn om het op een neutronenster te doen.
een neutronenster is ongelooflijk klein en dicht, en verpakt de massa van de zon in een bal van slechts een paar kilometer doorsnede. Dit kunstwerk toont een vergelijking met Manhattan. Credit: NASA ‘ s Goddard Space Flight Center
hoe komen ze aan dit nummer? De fysica die ze gebruikten is eigenlijk verschrikkelijk ingewikkeld, maar wat ze in feite deden was het oplossen van de toestandsvergelijking van een neutronenster — de fysische vergelijkingen die kenmerken van een object als Druk, volume en temperatuur relateren — om te krijgen hoe de omstandigheden zouden zijn voor een model neutronenster met de massa die is vastgesteld op 1,4 keer die van de zon.
ze gebruikten deze resultaten en vergeleken ze met waarnemingen van een gebeurtenis uit 2017: een fusie van twee neutronensterren die resulteerde in een kolossale explosie genaamd een kilonova. Deze gebeurtenis, genaamd GW170817, was een enorm keerpunt voor de astronomie, omdat de botsende neutronensterren krachtige gravitatiegolven uitstraalden, die letterlijk het weefsel van het heelal schudden. Dit was onze eerste waarschuwing voor de gebeurtenis, maar toen een groot deel van de telescopen op en boven de Aarde gericht op het deel van de hemel waar de fusie werd gevonden te zijn, en zag de explosie zelf, de kilonova. Het was de eerste keer dat er een gebeurtenis werd gezien die elektromagnetische energie uitstraalde (dat wil zeggen licht) die voor het eerst werd gezien in gravitatiegolven.
illustraties van het moment van botsing tussen twee neutronensterren. De resulterende explosie is … vrij groot. Credit: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
het legde ook veel beperkingen op de neutronensterren die botsten. Bijvoorbeeld, nadat ze samengevoegd waren, gaven ze op een specifieke manier licht uit, en het bleek dat dat niet in overeenstemming was met het samengevoegde restant dat genoeg massa had om direct in te storten in een zwart gat. Dat gebeurt ongeveer 2,4 keer de massa van de zon, dus we weten dat de twee sterren samen minder massa hadden dan dat. Omgekeerd was het licht niet in overeenstemming met het feit dat het restant ook een neutronenster was die ver onder die grens lag. Het lijkt erop dat een “hypermassieve” neutronenster werd gevormd in de buurt van die limiet, duurde een zeer korte tijd, en vervolgens ingestort in een zwart gat.
al deze gegevens waren voer voor de wetenschappers die de grootte van de neutronenster berekenden. Door hun modellen te vergelijken met de gegevens van de GW170817, waren ze in staat om het bereik van de maten die zinvol was sterk te verminderen, op nul op de 22 km diameter.
deze omvang heeft interessante implicaties. Bijvoorbeeld, een ding de gravitatiegolfwetenschappers hopen te zien is de fusie van een zwart gat en een neutronenster. Dit zal zeker detecteerbaar zijn, maar de vraag is of het licht zal uitzenden dat meer traditionele telescopen kunnen zien? Dat gebeurt als materiaal van de neutronenster wordt uitgestoten tijdens de fusie, wat veel licht genereert.
de wetenschappers in dit nieuwe werk stelden de aantallen vast en vonden dat Voor een neutronenster met 1,4 zonsmassa ‘ s en een diameter van 22 km, elk zwart gat groter dan ongeveer 3,4 maal de massa van de zon geen materiaal zou uitwerpen! Dat is een zeer lage massa voor een zwart gat, en het is zeer onwaarschijnlijk dat we zo ‘ n lage massa zouden zien, vooral een met een neutronenster die het kan eten. Dus ze voorspellen dat deze gebeurtenis alleen zal worden gezien in gravitatiegolven en niet in licht. Aan de andere kant, dat is alleen voor niet-draaiende zwarte gaten, en in werkelijkheid zullen de meeste een snelle draai hebben; het is onduidelijk wat er daar zou gebeuren, maar ik stel me voor dat veel mensen hun modellen opnieuw zullen draaien om te zien wat ze kunnen voorspellen.
de grootte van een neutronenster hebben betekent beter kunnen begrijpen wat er gebeurt als ze draaien, omdat hun belachelijk krachtige magnetische velden materiaal om hen heen beïnvloeden, hoe ze nieuw materiaal accreteren en wat er gebeurt bij de grens van de massa tussen een neutronenster en een zwart gat. Nog beter, als de LIGO / Virgo gravitationele Golf observatory mensen fine-tunen hun apparatuur ze verwachten dat hun gevoeligheid te verhogen, waardoor betere waarnemingen van neutronenster fusies, die vervolgens kunnen worden gebruikt om de grootte beperkingen nog meer aan te scherpen.
ik ben mijn hele leven al gefascineerd door neutronensterren, en om eerlijk te zijn is dat de juiste houding. Het zijn restjes van supernova ‘ s; ze botsen en maken goud, platina, barium en strontium; ze zijn de krachtpatser achter pulsars; ze kunnen geestversnellende energiestralen genereren; en zijn de dichtste objecten die je nog steeds kunt beschouwen als in het universum (het fysieke object in de waarnemingshorizon van een zwart gat is voor altijd buiten ons bereik). Ik bedoel, kom op. Ze zijn geweldig.
en dat ongeveer groter is.