(Jyrki Hokkanen, CSC - IT-senter for vitenskap) Nøytronstjerner stiger til toppen av listen over de deiligste gjenstandene i universet. Først var det tett 'kjernefysisk pasta' under skorpene deres. Nå har vi ferske bevis på at kjernene til de mest massive nøytronstjernene består av en eksotisk 'suppe' av subatomære partikler kalt kvarker.
Fysikere har laget nye beregninger ved hjelp av data fra gravitasjonsbølger først oppdaget fra ennøytronstjernekollisjon i august 2017, sammen med observasjoner av overraskende massive nøytronstjerner . Konklusjonen deres antyder et spennende resultat - kjernene til de mest massive nøytronstjernene er så tette at atomkjerner slutter å eksistere og kondenserer til kvarkstoff.
Det er, sier forskerne, en viktig milepæl når det gjelder å forstå den merkelige innmaten til disse ekstreme objektene.
«Å bekrefte eksistensen av kvarkkjerner inne i nøytronstjerner har vært et av de viktigste målene for nøytronstjerne fysikk helt siden denne muligheten først ble underholdt for omtrent 40 år siden,' sa teoretisk fysiker Aleksi Vuorinen ved universitetet i Helsinki og Helsinki Institute of Physics.
Nøytronstjerner er ganske ville. De er faktisk døde - de kollapsede restene av massive stjerner som ville ha vært mellom 8 og 30 solmasser (en måling basert på solens masse). Når disse stjernene går til supernova, blir det meste av massen deres sprengt ut i verdensrommet; den gjenværende kjernen kollapser ned til en utrolig tett gjenstand.
De resulterende nøytronstjernene kan variere mellom omtrent 1,1 og2,3 solmasser, pakket inn i en tett, liten kule på bare 10 til 20 kilometer (6,2 til 12,4 miles) på tvers. Fem store nøytronstjerner, som hver inneholder mer masse enn vår sol, kunne passe godt sammen Hadrians vegg , og med plass til overs.
Når kjernekollaps-supernovaen inntreffer, komprimeres protonene og elektronene i atomene som utgjør objektet til nøytroner og nøytrinoer . Nøytrinoene slipper ut og etterlater nøytronene under så høye trykkforhold at de smelter sammen, noe som gjør nøytronstjernen i hovedsak én stor kjerne, med en tetthet over 100 billioner ganger vann ved bunnen av skorpen. (Dette produserer'atompasta'-strukturer.)
Men tettheten forventes å øke jo dypere du går, og det er her ideen om kvarkstoffkjerner kommer inn. Quarks er grunnleggende subatomære partikler som kombineres for å danne sammensatte partikler som protoner og nøytroner.
Du kan sikkert se hvor dette går. Til noen tiår , astronomer har antatt at under høy nok varme og tetthet brytes nøytroner enda lenger ned i kvarkene deres, og skaper en slags kvarksuppe.
Det er imidlertid veldig vanskelig å finne ut hva som er inne i en nøytronstjerne. Så kollisjonen i august 2017 -GW170817- var veldig spennende for astronomer, siden måten de to stjernene endret seg etter hvert som de ble nær nok til å deformere hverandre gravitasjonsmessig kunne avsløre informasjon om deres interne struktur .
Vuorinen og teamet hans har brukt det gravitasjonsbølge signal sammen med nye teoretiske og partikkelfysiske resultater for å produsere deres fristende beregning. De fant at nøytronstjerner mot den øvre massegrensen til slike objekter - minst 2 solmasser - viser egenskaper som indikerer tilstedeværelsen av en enorm kvarkstoffkjerne, mer enn halvparten av nøytronstjernens hele diameter.
Det er ikke en absolutt slam-dunk; men beregningene tyder på at noe veldig merkelig måtte foregå hvis kjernene til disse stjernene er ikke kvark materie.
'Det er fortsatt en liten, men ikke null sjanse for at alle nøytronstjerner er sammensatt av kjernefysisk materie alene,' Voorinen forklarte .
«Det vi imidlertid har vært i stand til å gjøre, er å kvantifisere hva dette scenariet ville kreve. Kort sagt, oppførselen til tett kjernefysisk materie må da være virkelig særegen. For eksempel må lydens hastighet nesten nå opp til lysets.
Oppdagelsen av kvarkstoff inne i nøytronstjerner ville ikke bare vært fantastisk for sin egen skyld - det kan hjelpe oss å lære mer om de aller tidligste øyeblikkene i universet vårt.
Kosmologer tror at i noen mikrosekunder like etter Det store smellet kjent som kvark epoke , var universet fylt med en varm suppe av kvark-gluon plasma som raskt smeltet sammen til hadroner .
I disse dager kan vi bare finne kvarkmateriale veldig kort partikkelkollidereksperimenter ; men noen massive nøytronstjerner kan huse det også. Hvis vi kan karakterisere nøytronstjerneforholdene som kvarkmateriale dannes under, kan det hjelpe oss bedre å forstå kvarkepoken.
Siden GW170817 har LIGO-Virgo Collaborationoppdaget en andre nøytronstjernesammenslåing, og det er bare et spørsmål om tid før flere begynner å strømme inn. Analyse av flere fusjoner kan hjelpe teamet med å validere beregningene sine ytterligere, og stryke ut usikkerheten.
'Det er grunn til å tro at gravitasjonsbølgeastrofysikkens gullalder bare begynner, og at vi snart vil være vitne til mange flere sprang som dette i vår forståelse av naturen,' sa Vuorinen .
Forskningen er publisert i Naturfysikk .