neutronstjärnor är resterna av massiva stjärnor efter att de har gått supernova; medan stjärnans yttre lager exploderar utåt och skapar fyrverkerier bokstavligen i kosmisk skala, kollapsar stjärnans kärna och blir otroligt komprimerad. Om kärnan har tillräckligt med massa blir det ett svart hål, men om det är blyg av den gränsen blir det en ultratät boll som består mestadels av neutroner.
statistiken för neutronstjärnor är nykter. De har en massa på upp till över två gånger solen, men densiteten hos en atomkärna: över 100 biljoner gram per kubikcentimeter. Det är svårt att förstå, men tänk på det här sättet: om du komprimerade varje enskild bil i USA till neutron-star-stuff, skulle du få en kub 1 centimeter på en sida. Storleken på en sockerbit eller en sexsidig dö. Hela mänskligheten komprimerad till ett sådant tillstånd skulle vara mindre än dubbelt så bred.
neutronstjärnor har en ytgravitation hundratals miljarder gånger jordens och magnetiska fält ännu starkare. En neutronstjärna halva galaxen bort från oss hade en seismisk händelse på den som fysiskt påverkade oss här på jorden, 50 000 ljusår borta.
allt om neutronstjärnor är skrämmande. Men för allt det är vi fortfarande inte helt säkra på hur stora de är.
en roterande neutronstjärna med ett kraftfullt magnetfält piskar upp subatomära partiklar runt den. Konstverkskredit: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Sonoma State University
jag menar, vi har en grov uppfattning, men det exakta antalet är svårt att avgöra. De är för små för att se direkt, så vi måste dra slutsatsen om deras storlek från andra observationer, och de plågas av osäkerheter. Deras storlek beror också på deras massa. Men med hjälp av observationer av röntgenstrålar och andra utsläpp från neutronstjärnor har astronomer funnit att de har en diameter på 20-30 kilometer. Det är litet, för en så stor massa! Men det är också ett irriterande stort utbud. Kan vi göra bättre?
Ja! En grupp forskare har närmat sig problemet på ett annat sätt, och har kunnat begränsa storleken på dessa hårda men små djur: De fann att för en neutronstjärna med en massa på 1, 4 gånger solen (ungefär genomsnittet för sådana saker) kommer den att ha en diameter på 22, 0 kilometer (med en osäkerhet på +0, 9/-0, 6 km). De tycker att deras beräkning är en faktor på två mer exakta än någon annan gjort tidigare.
det är … litet. Gilla, riktigt liten. Jag skulle överväga 22 km en kort cykeltur, men för att vara rättvis att göra det på en neutronstjärna skulle det vara svårt.
en neutronstjärna är otroligt liten och tät och packar solens massa i en boll bara några kilometer över. Detta konstverk visar en jämfört med Manhattan. Restauranger i närheten av Goddard Space Flight Center
så hur fick de det här numret? Fysiken de använde är faktiskt djävulskt komplicerad, men vad de gjorde i själva verket var att lösa en neutronstjärns tillståndsekvation — de fysiska ekvationerna som relaterar egenskaper hos ett objekt som tryck, volym och temperatur — för att få vad förhållandena skulle vara för en modell neutronstjärna med massan fixerad vid 1,4 gånger solens.
de använde sedan dessa resultat och jämförde dem mot observationer av en händelse från 2017: en sammanslagning av två neutronstjärnor som resulterade i en kolossal explosion kallad kilonova. Denna händelse, kallad GW170817, var ett stort vattendrag för astronomi, eftersom de kolliderande neutronstjärnorna emitterade kraftfulla gravitationsvågor, som bokstavligen skakade universums Tyg. Detta var vår första varning till händelsen, men sedan en stor del av teleskop på och ovanför jorden som syftar till den del av himlen där sammanslagningen befanns vara, och såg explosionen själv, kilonova. Det var första gången en händelse sågs avge elektromagnetisk energi (det vill säga ljus) som först sågs i gravitationsvågor.
konstverk som visar ögonblicket av kollision mellan två neutronstjärnor. Den resulterande explosionen är … ganska stor. Kredit: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
det satte också många begränsningar på neutronstjärnorna som kolliderade. Till exempel, efter att de fusionerades utsände de ljus på ett visst sätt, och det visar sig att det var inkonsekvent med att den sammanslagna kvarlevan hade tillräckligt med massa för att kollapsa direkt i ett svart hål. Det händer runt 2,4 gånger solens massa, så vi vet att de två stjärnorna tillsammans hade mindre massa än det. Omvänt var ljuset inkonsekvent med att resten var en neutronstjärna långt under den gränsen också. Det ser ut som en” hypermassiv ” neutronstjärna bildades nära den gränsen, varade i mycket kort tid och kollapsade sedan i ett svart hål.
alla dessa data var foder för forskarna som beräknade neutronstjärnans storlek. Genom att jämföra sina modeller med data från GW170817 kunde de kraftigt minska utbudet av storlekar som var vettiga och nollställde in på 22 km-diametern.
denna storlek har intressanta konsekvenser. Till exempel, en sak som gravitationsvågforskarna hoppas se är sammanslagningen av ett svart hål och en neutronstjärna. Detta kommer definitivt att upptäckas, men frågan Är kommer det att avge något ljus som mer traditionella teleskop kan se? Det händer när material från neutronstjärnan kastas ut under fusionen och genererar mycket ljus.
forskarna i det här nya arbetet sprang siffrorna och fann att för en neutronstjärna med 1, 4 solmassor och 22 km diameter skulle något svart hål större än cirka 3, 4 gånger solens massa inte mata ut något material! Det är en mycket låg massa för ett svart hål, och det är mycket osannolikt att vi skulle se någon så låg massa, särskilt en med en neutronstjärna som den kan äta. Så de förutspår att denna händelse bara kommer att ses i gravitationsvågor och inte ljus. Å andra sidan är det bara för icke-snurrande svarta hål, och i verkligheten kommer de flesta att ha en snabb snurrning; det är oklart vad som skulle hända där, men jag föreställer mig att många kommer att köra sina modeller igen för att se vad de kan förutsäga.
att ha storleken på en neutronstjärna innebär att man bättre kan förstå vad som händer när de snurrar, eftersom deras löjligt kraftfulla magnetfält påverkar material runt dem, hur de accrete nytt material och vad som händer nära massgränsen mellan en neutronstjärna och ett svart hål. Ännu bättre, eftersom LIGO/Virgo gravitational wave observatory folk finjusterar sin utrustning, förväntar de sig att deras känslighet ökar, vilket möjliggör bättre observationer av neutronstjärnfusioner, som sedan kan användas för att strama storleksbegränsningarna ännu mer.
jag har fascinerats av neutronstjärnor hela mitt liv, och för att vara ärlig är det rätt attityd. De är rester från supernovaer; de kolliderar och gör guld, platina, barium och strontium; de är kraftverket bakom pulsarer; de kan generera mind-crushing Blaster av energi; och är de tätaste föremålen du fortfarande kan överväga att vara i universum (det fysiska objektet inuti ett svart håls händelsehorisont är för alltid bortom vår räckvidd). Jag menar, kom igen. De är fantastiska.
och det handlar om storlekar upp dem.