Jak velká je neutronová hvězda? Tyto extrémní, ultrahusté zhroucené hvězdy jsou poměrně malé, pokud jde o hvězdné objekty. Přestože mají hmotnost hvězdy plné velikosti, jejich velikost je často přirovnávána k šířce středně velkého až velkého města. Astronomové po léta určovali neutronové hvězdy v průměru někde mezi 19-27 km (12 až 17 mil). To je docela vlastně docela přesné, vzhledem ke vzdálenostem a charakteristikám neutronových hvězd. Astronomové však pracují na tom, aby to zúžili na sudouvícepřesné měření.
Mezinárodní tým výzkumníků to nyní udělal. Pomocí dat z několika různých dalekohledů a observatoří členové Institutu Maxe Plancka pro gravitační fyziku a Albert Einstein Institute (AEI) zúžili odhady velikosti neutronových hvězd na faktor dva.
'Zjistili jsme, že typická neutronová hvězda, která je asi 1,4krát těžší než naše Slunce, má poloměr asi 11 kilometrů,' řekl Badri Krishnan, který vedl výzkumný tým na AEI Hannover. 'Naše výsledky omezují poloměr na pravděpodobně někde mezi 10,4 a 11,9 kilometry.'
To znamená v průměru 20,8 – 23,8 km (13-14,8 mil).
Dosvit GW170817 je zobrazen na detailních záběrech zachycených Hubbleovým vesmírným teleskopem NASA, které ukazují, že jas během dnů a týdnů stmívá. KREDIT: NASA a ESA: A. Levan (U. Warwick), N. Tanvir (U. Leicester) a A. Fruchter a O. Fox (STScI)
Předmět studie tohoto týmu je poměrně slavný: t sloučení binárních neutronových hvězd GW170817, které vytvořilo gravitační vlny detekované v roce 2017 konsorciem LIGO (Laser-Interferometer Gravitational Wave Observatory) a konsorciem Virgo. Tento objekt byl mnohokrát studován několika dalekohledy, včetně satelitu Fermi, Hubbleova vesmírného dalekohledu a dalších dalekohledů a observatoří po celém světě. Všechna tato pozorování poskytla týmu Maxe Plancka množství dat, se kterými mohl pracovat.
'Fúze binárních neutronových hvězd jsou zlatým dolem informací!' řekl Collin Capano, výzkumník z AEI Hannover a hlavní autor knihy a článek publikovaný v Nature Astronomy. „Neutronové hvězdy obsahují nejhustší hmotu v pozorovatelném vesmíru. … Měřením vlastností těchto objektů se dozvídáme o základní fyzice, která řídí hmotu na subatomární úrovni.“
Neutronové hvězdy vznikají, když hmotné hvězdě dojde palivo a zhroutí se. Úplně centrální oblast hvězdy – jádro – se zhroutí a rozdrtí dohromady každý proton a elektron na neutron. Pokud má jádro kolabující hvězdy hmotnost mezi asi 1 a 3 hmotnostmi Slunce, mohou tyto nově vytvořené neutrony kolaps zastavit a zanechat za sebou neutronovou hvězdu.
Hvězdy s ještě vyšší hmotností se budou i nadále hroutit do černých děr s hvězdnou hmotností.
Umělcova ilustrace dvou splývajících neutronových hvězd. Úzké paprsky představují záblesk gama záření, zatímco vlnící se časoprostorová mřížka ukazuje izotropní gravitační vlny, které sloučení charakterizují. Vířící mračna materiálu vyvržená ze splývajících hvězd jsou možným zdrojem světla, které bylo vidět při nižších energiích. Kredit: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Ale kolapsem do neutronové hvězdy vznikne nejhustší známý objekt – opět objekt o hmotnosti Slunce rozdrcený na velikost města. A toto jiné srovnání jste již pravděpodobně slyšeli, ale stojí za to si jej zopakovat, protože je dramatické: Jedna kostka cukru materiálu neutronové hvězdy by na Zemi vážila asi 1 bilion kilogramů (nebo 1 miliardu tun) – asi tolik jako Mount Everest.
Výzkumný tým použil model založený na základním pochopení toho, jak subatomární částice interagují při vysokých hustotách nacházejících se uvnitř neutronových hvězd.
Ale protože se velikost jiných hvězd může značně lišit, nemohla by se lišit i velikost neutronových hvězd?
Za prvé, pro objasnění, poloměr uvedený v této studii je pro neutronovou hvězdu, která má hmotnost 1,4krát větší než naše Slunce.
'Toto je základní hmotnost, která se obvykle používá v literatuře, protože téměř všechny neutronové hvězdy, které byly pozorovány v dvojhvězdách, mají hmotnost blízkou této hodnotě,' řekl Capano Universe Today v e-mailu. 'Důvod, proč můžeme použít GW170817 k odhadu poloměru neutronové hvězdy o hmotnosti 1,4 slunečního záření, je ten, že očekáváme, že téměř všechny neutronové hvězdy budou vyrobeny ze stejného materiálu.'
U jiných „běžných“ hvězd závisí vztah mezi jejich hmotností a poloměrem na řadě proměnných, jako je prvek, který hvězda fúzuje ve svém jádru, vysvětlil Capano.
'Na druhou stranu, neutronové hvězdy jsou tak kompaktní a husté, že v nich nejsou ve skutečnosti samostatné atomy - celá hvězda je v podstatě obří jediné atomové jádro, skládající se téměř výhradně z neutronů natěsnaných k sobě,' řekl. 'Z tohoto důvodu si nemůžete myslet, že neutronové hvězdy se skládají z různých prvků.' Ve skutečnosti „prvek“ nemá při těchto hustotách žádný význam, protože to, co definuje prvek, je počet protonů, které má ve svých základních atomech.
Capano řekl, že protože všechny neutrony jsou vyrobeny ze stejných věcí (kvarků, držených pohromadě gluony), astronomové očekávají, že bude existovat univerzální mapování mezi hmotností a poloměrem, které platí pro všechny neutronové hvězdy.
'Když tedy citujeme možnou velikost neutronové hvězdy o hmotnosti 1,4 slunečního záření, ve skutečnosti tím omezujeme možné fyzikální zákony, které popisují subatomový svět,' řekl.
Jak tým popisuje ve svém článku, jejich výsledky a procesy mohou být také aplikovány na studium jiných astronomických objektů, jako jsou pulsary, magnetary, a dokonce i způsob, jakým jsou vyzařovány gravitační vlny, aby poskytly podrobnosti o tom, co tyto vlny vytváří.
'Tyto výsledky jsou vzrušující nejen proto, že jsme byli schopni výrazně zlepšit měření poloměrů neutronových hvězd, ale také proto, že nám poskytují okno do konečného osudu neutronových hvězd při slučování dvojhvězd,' řekla Stephanie Brown, spoluautorka publikace. a doktorandem na AEI Hannover.
Více:
Papír: Přísná omezení na poloměry neutronových hvězd z pozorování multimessengerů a jaderné teorie
Tisková zpráva Institutu Maxe Plancka