Badanie ekstremalnej materii poprzez obserwacje gwiazd neutronowych

Gromada kulista 47 Tucanae.

Źródło: NASA/CXC/Michigan State/A.Steiner et al

Gwiazdy neutronowe, bardzo gęste jądra pozostałe śmierci bardzo masywnych gwiazd, zawierają w sobie najgęstsze rodzaje materii we wszechświecie – jej bardziej ekstremalne formy spotykamy jedynie w czarnych dziurach. Nowe wyniki z Chandry i innych teleskopów rentgenowskich podają nam najbardziej jak do tej pory wiarygodne oszacowania relacji pomiędzy promieniem gwiazdy neutronowej i jej masą. Wyniki te nakładają ograniczenia na to, w jaki sposób materia jądrowa – protony, neutrony i ich składowe kwarki – mogą współistnieć w trudnych warunkach panujących we wnętrzach tych gwiazdach.


Trzy teleskopy -
Chandra, XMM-Newton ESA i Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) - obserwowało osiem gwiazd neutronowych, w tym jedną położoną w 47 Tucanae, gromadzie kulistej znajdującej się około 15.000 lat świetlnych od Ziemi, na obrzeżach Drogi Mlecznej. Uzyskano zdjęcie dla tej gwiazdy (widoczne na rysunku obok). Promieniowanie X o niższych energiach jest na nim czerwone, fale rentgenowskie o energiach pośrednich są zaznaczone na zielono, a najwyższe zaobserwowane energie promieniowania X na niebiesko.

Widoczny na nim układ podwójny gwiazd, X7, zawiera gwiazdę neutronową powoli ściągającą gaz ze swej gwiazdy- towarzysza o masie znacznie mniejszej niż masa Słońca. W 2006 roku naukowcy wykorzystali obserwacje X7 w różnych energiach promieniowania X, łącząc je z modelami teoretycznymi. Chcieli w ten sposób określić zależność pomiędzy masą i promieniem gwiazdy neutronowej. Podobną procedurę przeprowadzono w przypadku obserwacji teleskopem Chandra gwiazdy neutronowej położonej w innej gromady kulistej - NGC 6397, a także dla dwóch innych gwiazd neutronowych zaobserwowanych przez XMM-Newton.

Cztery inne gwiazdy neutronowe zaobserwowano z kolei teleskopem RXTE podczas ich gwałtownych eksplozji w promieniach X, powodowanych nagłą ekspansją gwiazdowych atmosfer. W wyniku obserwacji tempa, w jakim chłodzą się takie gwiazdy, naukowcy obliczyli ich powierzchnie. Następnie, znając niezależne oszacowania odległości do tych gwiazd, byli w stanie zebrać więcej informacji na temat relacji pomiędzy ich masami i promieniami. Ponieważ masa i promień danej gwiazdy są bezpośrednio związane z interakcjami pomiędzy cząstkami w jej wnętrzu, wyniki tych badań dały naukowcom cenne informacje na temat wewnętrznych mechanizmów rządzących ewolucją gwiazd neutronowych.

Po analizie wielu modeli opisujących strukturę tych silnie skolapsowanych obiektów określono średni promień gwiazdy neutronowej o masie 1.4 mas Słońca na około 10.4 – 12.9 kilometrów. Z kolei ocena gęstości materii w ich centrach daje wynik 8 większy niż w przypadku materii jądrowej występującej w ziemskich warunkach. Te na nowo oszacowane wartości powinny obowiązywać także w przypadku, gdy materia w jądrach gwiazd składa się z tzw. wolnych kwarków. Kwarki są to podstawowe cząstki, z których składają się protony i neutrony. Zwykle nie występują w izolacji. Naukowcy od dawna postulowali, że wolne kwarki mogłyby istnieć wewnątrz bardzo gęstych gwiazd neutronowych, ale dotychczas nie znaleziono na to wystarczająco dobrych dowodów.

Obserwacje gwiazd neutronowych przynoszą nam również nowe informacje o tak zwanej "energii symetrii" dla materii jądrowej, z którą wiąże się koszt energii potrzebnej do powstania układu z różnymi ilościami protonów i neutronów w jądrze. Energia ta może odgrywać szczególnie ważną rolę w przypadku gwiazd neutronowych, ponieważ zawierają one prawie10 razy więcej neutronów niż protony. Jest to również ważne w przypadku tzw. ciężkich pierwiastków występujących na Ziemi, jak uran, w którym także pojawia się nadwyżka protonów. Wyniki pokazują, że energia symetrii nie zmienia się znacząco w funkcji gęstości materii.

Liczba odsłon: 1387