Jak dotąd niewiele wiadomo o wnętrzu gwiazd neutronowych, tych niezwykle zwartych obiektów, które mogą powstać po śmierci gwiazdy: masa naszego Słońca lub nawet większa jest ściśnięta w kulę o średnicy dużego miasta. Od ich odkrycia ponad 60 lat temu naukowcy próbują rozszyfrować ich strukturę. Największym wyzwaniem jest symulowanie ekstremalnych warunków wewnątrz gwiazd neutronowych, ponieważ trudno jest je odtworzyć na Ziemi w laboratorium. Istnieje zatem wiele modeli, w których różne właściwości – od gęstości po temperaturę – są opisywane za pomocą tak zwanych równań stanu. Równania te próbują opisać strukturę gwiazd neutronowych od powierzchni gwiazdy do jądra wewnętrznego.
Teraz fizykom z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie udało się dodać kolejne kluczowe elementy układanki. Grupa robocza kierowana przez prof. Luciano Rezzollę z Instytutu Fizyki Teoretycznej opracowała ponad milion różnych równań stanu, które z jednej strony spełniają ograniczenia nałożone przez dane uzyskane z teoretycznej fizyki jądrowej, az drugiej przez obserwacje astronomiczne. Oceniając równania stanu, grupa robocza dokonała zaskakującego odkrycia: „lekkie” gwiazdy neutronowe (o masach mniejszych niż około 1,7 masy Słońca) wydają się mieć miękki płaszcz i sztywne jądro, podczas gdy „ciężkie” gwiazdy neutronowe (o masach większe niż 1,7 masy Słońca) zamiast tego mają sztywny płaszcz i miękkie jądro. „Ten wynik jest bardzo interesujący, ponieważ daje nam bezpośrednią miarę tego, jak ściśliwe może być centrum gwiazd neutronowych” — mówi prof. Luciano Rezzolla. orzech laskowy w środku otoczony miękką czekoladą, podczas gdy ciężkie gwiazdki można uznać bardziej za te czekoladki, w których twarda warstwa zawiera miękkie nadzienie”.
Kluczowe znaczenie dla tego spostrzeżenia miała prędkość dźwięku, na której skupił się student studiów licencjackich, Sinan Altifarmak. Ta miara wielkości opisuje, jak szybko fale dźwiękowe rozchodzą się w obiekcie i zależy od tego, jak sztywna lub miękka jest materia. Tutaj, na Ziemi, prędkość dźwięku jest wykorzystywana do badania wnętrza planety i odkrywania złóż ropy naftowej.
Modelując równania stanu, fizycy byli w stanie odkryć również inne, wcześniej niewyjaśnione właściwości gwiazd neutronowych. Na przykład, niezależnie od ich masy, najprawdopodobniej mają promień zaledwie 12 km. Dzięki temu mają taką samą średnicę jak Frankfurt, rodzinne miasto Uniwersytetu Goethego. Autor, dr Christian Ecker, wyjaśnia: „Nasze obszerne badania numeryczne pozwalają nam nie tylko przewidywać promienie i maksymalne masy gwiazd neutronowych, ale także wyznaczać nowe ograniczenia ich odkształcalności w układach podwójnych, tj. innych poprzez ich pola grawitacyjne. Spostrzeżenia te staną się szczególnie ważne, aby określić nieznane równanie stanu z przyszłymi obserwacjami astronomicznymi i wykrywaniem fal grawitacyjnych pochodzących od łączących się gwiazd”.
Tak więc, chociaż dokładna struktura i skład materii wewnątrz gwiazd neutronowych nadal pozostaje tajemnicą, oczekiwanie na jej odkrycie z pewnością można osłodzić jedną lub dwiema czekoladkami.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Goethego we Frankfurcie. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.