A gyorsan lehűlő egzotikus tárgyak átírják a neutroncsillagok fizikáját

A neutroncsillagok a világegyetem legsűrűbb objektumai közé tartoznak. A benne lévő anyag olyan erősen össze van nyomva, hogy a tudósok még nem tudják, milyen formát ölt. A neutroncsillag magja állhat sűrű kvarklevesből, vagy tartalmazhat olyan egzotikus részecskéket, amelyek sehol máshol nem élhetnének meg az univerzumban. A kép forrása: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al., szerkesztve

Az Európai Űrügynökség XMM-Newton távcsövéi által végzett legutóbbi megfigyelések NASAA NASA Chandra teleszkópja három szokatlanul hűvös fiatal neutroncsillagot tárt fel, kihívás elé állítva a jelenlegi modelleket, megmutatva, hogy a vártnál sokkal gyorsabban hűlnek le.

Ennek az eredménynek jelentős következményei vannak, ami arra utal, hogy a sok javaslat közül csak néhány Neutroncsillag Ezek a modellek működőképesek, és jelzik az áttörés lehetőségét az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika elméletének asztrofizikai megfigyelések révén történő összekapcsolásában.

Szokatlanul hideg neutroncsillagok felfedezése

Az ESA XMM Newton Obszervatóriuma és a NASA Chandra Obszervatóriuma három fiatal neutroncsillagot fedezett fel, amelyek korukhoz képest szokatlanul hűvösek. Tulajdonságaikat a neutroncsillagok különböző modelljeivel összehasonlítva a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a furcsa csillagok alacsony hőmérséklete kizárja az ismert modellek mintegy 75%-át. Ez egy nagy lépés az egyetlen neutroncsillag „állapotegyenletének” feltárása felé, amely mindegyiket szabályozza, és fontos következményekkel jár az univerzum alapvető törvényei szempontjából.

A fekete lyukak mellett a neutroncsillagok a világegyetem legrejtélyesebb objektumai. A neutroncsillag egy nagyon nagy (a Nap tömegénél több mint nyolcszoros) csillag életének utolsó pillanataiban jön létre, amikor a magjában lévő nukleáris üzemanyag végül elfogy. A hirtelen és heves befejezésben a csillag külső rétegei hatalmas energiával lökődnek ki egy szupernóva-robbanás során, és csodálatos porban és nehézfémekben gazdag csillagközi anyagfelhőket hagynak maguk után. A felhő (köd) közepén a csillag sűrű magja összehúzódik és neutroncsillaggá alakul. Fekete lyuk akkor is kialakulhat, ha a maradék mag tömege nagyobb, mint körülbelül három naptömeg. Szerzői jog: Európai Űrügynökség

Extrém sűrűség és ismeretlen halmazállapotok

A csillagtömegű fekete lyukak után a neutroncsillagok a világegyetem legsűrűbb objektumai. Minden neutroncsillag egy óriáscsillag kompakt magja, amely megmarad, miután a csillag szupernóvában felrobban. Miután kifogyott az üzemanyag, a csillag magja a gravitációs erő hatására összeomlik, miközben külső rétegei az űrbe kerülnek.

A neutroncsillag középpontjában lévő anyag olyan szorosan össze van nyomva, hogy a tudósok még mindig nem tudják, milyen alakot ölt. A neutroncsillagok nevüket onnan kapták, hogy e hatalmas nyomás alatt még az atomok is összeomlanak: az elektronok egyesülnek az atommagokkal, a protonokból neutronokká alakulnak. De ez még furcsábbá válhat: az extrém hő és nyomás stabilizálja az egzotikusabb részecskéket, amelyek máshol nem élnek túl, vagy a részecskék összeolvadhatnak a kvarkokat alkotó kvarkjaik kavargó levesében.

Egy neutroncsillagban (balra) a neutronokat alkotó kvarkok a neutronokon belül vannak. A kvarkcsillagban (jobbra) a kvarkok szabadok, így kevesebb helyet foglalnak el, és a csillag átmérője is kisebb. A kép jóváírása: NASA/XC/M. Weiss

A neutroncsillag belsejében zajló eseményeket az úgynevezett „állapotegyenlet” írja le, amely egy elméleti modell, amely leírja a neutroncsillag belsejében előforduló fizikai folyamatokat. A probléma az, hogy a tudósok még nem tudják, hogy az állapotmodellek több száz lehetséges egyenlete közül melyik a helyes. Míg az egyes neutroncsillagok viselkedése olyan tulajdonságoktól függhet, mint például tömegük vagy forgásuk sebessége, minden neutroncsillagnak ugyanahhoz az állapotegyenlethez kell ragaszkodnia.

A neutroncsillagok lehűlésével kapcsolatos megfigyelések következményei

Az ESA XMM Newton Obszervatóriumának és a NASA Chandra Obszervatóriumának adataiba ásva a tudósok három kivételesen fiatal és hideg neutroncsillagot fedeztek fel, amelyek 10-100-szor hidegebbek, mint azonos korú társaik. Tulajdonságaikat a különféle modellek által megjósolt hűtési sebességekkel összehasonlítva a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy ennek a három egzotikus csillagnak a jelenléte kizárja a javasolt állapotegyenletek többségét.

„A három neutroncsillag fiatal kora és hideg felszíni hőmérséklete csak egy gyorshűtési mechanizmus segítségével magyarázható, mivel a fokozott hűtés csak bizonyos állapotegyenletekkel aktiválható, ez lehetővé teszi a lehetséges modellek nagy részének kizárását. ” – magyarázza Nanda Rhea csillagász, akinek kutatócsoportja az Űrtudományi Intézetben dolgozik (.ICE-CSIC) és a Katalóniai Űrkutatási Intézet (Nemzetközi Atomenergia Bizottság) vezette a vizsgálatot.

Elméletek egyesítése a neutroncsillag tanulmányozásával

A valódi neutroncsillag állapotegyenletének felfedezése az univerzum alapvető törvényei szempontjából is fontos következményekkel jár. Köztudott, hogy a fizikusok még nem tudják, hogyan kapcsolják össze az általános relativitáselméletet (amely a gravitáció nagy léptékű hatásait írja le) a kvantummechanikával (amely a részecskeszinten zajló eseményeket írja le). A neutroncsillagok a legjobb kísérleti terepet erre, mert sűrűségük és gravitációjuk messze meghaladja azt, amit a Földön létrehozhatunk.

A neutroncsillagok az óriáscsillagok kompakt magjai, amelyek megmaradnak, miután a csillag szupernóvában felrobban. Olyan sűrű, hogy egy kockacukorral megegyező neutroncsillaganyag tömege annyi, mint a Föld teljes népessége! Kép jóváírása: Európai Űrügynökség

Erők egyesítése: négy lépés a felfedezés felé

A három furcsa neutroncsillag annyira hideg, hogy túl halványak ahhoz, hogy a legtöbb röntgenmegfigyelőközpont láthassa őket. „Az XMM-Newton és a Chandra obszervatóriumok kiváló érzékenysége lehetővé tette nemcsak ezeknek a neutroncsillagoknak az észlelését, hanem elegendő fény összegyűjtését a hőmérsékletük és egyéb tulajdonságaik meghatározásához” – mondja Camille Diez, az ESA kutató munkatársa, aki az XMM-en dolgozik. – Newton adatok.

Az érzékeny mérések azonban csak az első lépést jelentették afelé, hogy következtetéseket lehessen levonni arról, hogy ezek a furcsaságok mit jelentenek a neutroncsillag állapotegyenletében. Ennek érdekében a Nanda kutatócsoportja az ICE-CSIC-nél Alessio Marino, Clara Dehmann és Konstantinos Kouvlaka egymást kiegészítő szakértelmét egyesítette.

Alessio úttörő volt a neutroncsillagok fizikai tulajdonságainak meghatározásában. A csapat a neutroncsillagok hőmérsékletére következtethetett a felületükről küldött röntgensugárzásból, míg az őket körülvevő szupernóva-maradványok mérete és sebessége pontos jelzést adott korukról.

Clara ezután átvette a vezetést a neutroncsillagok „hűtési görbéinek” kiszámításában, különböző hűtési mechanizmusokat tartalmazó állapotegyenletekre. Ez azt jelenti, hogy meg kell rajzolni, hogy az egyes modellek mit jósolnak a neutroncsillag fényessége – amely a hőmérsékletéhez közvetlenül kapcsolódó jellemző – idővel hogyan fog változni. E görbék alakja a neutroncsillag sok különböző tulajdonságától függ, amelyek közül nem mindegyik határozható meg pontosan megfigyelésekből. Emiatt a csapat hűtési görbéket számított ki a lehetséges neutroncsillagtömegek és mágneses térerősségek tartományára.

Végül egy statisztikai elemzés, amelyet Constantinos vezetett, mindent összehozott. Gépi tanulás Annak megállapítására, hogy a szimulált hűtési görbék mennyire illeszkednek a furcsa golyók tulajdonságaihoz, a tanulmány kimutatta, hogy a gyorshűtési mechanizmus nélküli állapotegyenleteknek nulla esélyük van az adatok egyezésére.

„A neutroncsillag-kutatás számos tudományterületet érint, a részecskefizikától a… Gravitációs hullámok„A munka sikere bizonyítja, milyen fontos a csapatmunka az univerzum megértésének elősegítésében” – összegzi Nanda.

Hivatkozás: „Korlátozások a fiatal, hideg izolált neutroncsillagokból származó sűrű anyag állapotegyenletére”, A. Marino, C. Dehmann, K. Koufalkas, N. Rea, J. A. Pons, D. Vigano, 2024. június 20. Természeti csillagászat.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y