Snel afkoelende exotische objecten herschrijven de fysica van neutronensterren

Recente waarnemingen gedaan door de XMM-Newton-telescopen van de European Space Agency NASANASA’s Chandra-telescoop heeft drie ongewoon koele jonge neutronensterren onthuld, die de huidige modellen uitdagen door aan te tonen dat ze veel sneller afkoelen dan verwacht.

Dit resultaat heeft aanzienlijke implicaties, wat erop wijst dat slechts enkele van de vele voorstellen het geval zijn Neutronenster Deze modellen zijn werkbaar en wijzen op de mogelijkheid van een doorbraak in het verbinden van de theorieën van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica door middel van astrofysische waarnemingen.

Ontdekking van ongewoon koude neutronensterren

ESA’s XMM Newton Observatory en NASA’s Chandra Observatory hebben drie jonge neutronensterren ontdekt die voor hun leeftijd ongewoon koel zijn. Door hun eigenschappen te vergelijken met verschillende modellen van neutronensterren kwamen wetenschappers tot de conclusie dat de lage temperaturen van vreemde sterren ongeveer 75% van de bekende modellen uitsluiten. Dit is een grote stap in de richting van het onthullen van de ‘toestandsvergelijking’ van één neutronenster die ze allemaal beheerst, met belangrijke implicaties voor de fundamentele wetten van het universum.

Samen met zwarte gaten behoren neutronensterren tot de meest raadselachtige objecten in het universum. Een neutronenster ontstaat in de laatste momenten van het leven van een zeer grote ster (meer dan acht keer de massa van onze zon), wanneer de nucleaire brandstof in de kern uiteindelijk opraakt. Bij een plotseling en gewelddadig einde worden de buitenste lagen van de ster met enorme energie uitgestoten in een supernova-explosie, waardoor verbazingwekkende wolken van interstellair materiaal achterblijven dat rijk is aan stof en zware metalen. In het centrum van de wolk (nevel) trekt de dichte kern van de ster samen en vormt een neutronenster. Een zwart gat kan zich ook vormen als de resterende kernmassa groter is dan ongeveer drie zonsmassa’s. Auteursrecht: Europees Ruimteagentschap

Extreme dichtheid en onbekende toestanden van materie

Na zwarte gaten met een stellaire massa zijn neutronensterren de dichtste objecten in het universum. Elke neutronenster is de compacte kern van een reuzenster, die overblijft nadat de ster in een supernova is geëxplodeerd. Nadat de brandstof opraakt, stort de kern van de ster in onder de zwaartekracht, terwijl de buitenste lagen de ruimte in worden geslingerd.

De materie in het centrum van een neutronenster is zo strak samengedrukt dat wetenschappers nog steeds niet weten welke vorm deze aanneemt. Neutronensterren ontlenen hun naam aan het feit dat onder deze enorme druk zelfs atomen instorten: elektronen versmelten met atoomkernen, waardoor protonen in neutronen veranderen. Maar het kan nog vreemder worden: extreme hitte en druk kunnen meer exotische deeltjes stabiliseren die elders niet overleven, of de deeltjes kunnen samensmelten in een wervelende soep van hun samenstellende quarks.

In een neutronenster (links) zijn de quarks waaruit de neutronen bestaan, opgesloten binnen de neutronen. In een quarkster (rechts) zijn de quarks vrij, waardoor ze minder ruimte innemen en de diameter van de ster kleiner is. Afbeelding tegoed: NASA/XC/M. Weiss

Wat er in een neutronenster gebeurt, wordt beschreven door de zogenaamde ‘toestandsvergelijking’, een theoretisch model dat de fysieke processen beschrijft die in een neutronenster kunnen plaatsvinden. Het probleem is dat wetenschappers nog niet weten welke van de honderden mogelijke vergelijkingen van toestandsmodellen correct is. Hoewel het gedrag van individuele neutronensterren kan afhangen van eigenschappen zoals hun massa of hoe snel ze draaien, moeten alle neutronensterren zich aan dezelfde toestandsvergelijking houden.

Implicaties van waarnemingen van de afkoeling van neutronensterren

Door gegevens van ESA’s XMM Newton Observatory en NASA’s Chandra Observatory te bestuderen, ontdekten wetenschappers drie uitzonderlijk jonge en koele neutronensterren die 10 tot 100 keer koeler zijn dan hun tegenhangers van dezelfde leeftijd. Door hun eigenschappen te vergelijken met de door verschillende modellen voorspelde afkoelsnelheden, concludeerden de onderzoekers dat de aanwezigheid van deze drie exotische sterren de meeste voorgestelde toestandsvergelijkingen uitsluit.

“De jonge leeftijd en de koude oppervlaktetemperatuur van deze drie neutronensterren kunnen alleen worden verklaard door een beroep te doen op een snel koelmechanisme. Omdat verbeterde koeling alleen kan worden geactiveerd door bepaalde toestandsvergelijkingen, kunnen we een groot deel van de mogelijke modellen uitsluiten ”, legt de natuurkundige Nanda Rhea uit, wiens onderzoeksgroep werkt bij het Institute of Space Sciences ().ICE-CSIC) en het Instituut voor Ruimtestudies van Catalonië (Internationale Commissie voor Atoomenergie) leidde het onderzoek.

Theorieën verenigen door de neutronenster te bestuderen

De ontdekking van de ware toestandsvergelijking van neutronensterren heeft ook belangrijke implicaties voor de fundamentele wetten van het universum. Het is bekend dat natuurkundigen nog niet weten hoe ze de algemene relativiteitstheorie (die de effecten van zwaartekracht op grote schaal beschrijft) moeten verbinden met de kwantummechanica (die beschrijft wat er op deeltjesniveau gebeurt). Neutronensterren zijn hiervoor de beste proeftuin omdat ze een dichtheid en zwaartekracht hebben die alles wat we op aarde kunnen creëren ver te boven gaat.

Neutronensterren zijn de compacte kernen van reuzensterren, die overblijven nadat de ster in een supernova is geëxplodeerd. Het is zo compact dat de hoeveelheid neutronenstermaterie gelijk aan een suikerklontje evenveel weegt als de gehele bevolking van de aarde! Afbeelding tegoed: Europees Ruimteagentschap

Krachten bundelen: vier stappen richting ontdekking

De drie vreemde neutronensterren zijn zo koud dat ze te zwak zijn om door de meeste röntgenobservatoria te worden gezien. ‘De superieure gevoeligheid van de XMM-Newton- en Chandra-observatoria maakte het niet alleen mogelijk om deze neutronensterren te detecteren, maar ook om voldoende licht te verzamelen om hun temperaturen en andere eigenschappen te bepalen’, zegt Camille Diez, onderzoeker bij ESA die aan de XMM werkt. -Newton-gegevens.

Gevoelige metingen waren echter slechts de eerste stap in de richting van het kunnen trekken van conclusies over wat deze eigenaardigheden betekenden voor de toestandsvergelijking van neutronensterren. Daartoe heeft Nanda’s onderzoeksteam bij ICE-CSIC de complementaire expertise van Alessio Marino, Clara Dehmann en Konstantinos Kouvlaka samengebracht.

Alessio was een pionier in het bepalen van de fysische eigenschappen van neutronensterren. Het team kon de temperaturen van neutronensterren afleiden uit de röntgenstraling die vanaf hun oppervlak werd uitgezonden, terwijl de afmetingen en snelheden van de supernovaresten eromheen een nauwkeurige indicatie gaven van hun leeftijd.

Clara nam vervolgens het voortouw bij het berekenen van ‘afkoelcurves’ voor neutronensterren voor toestandsvergelijkingen waarbij verschillende koelmechanismen betrokken zijn. Dit houdt in dat we in kaart brengen wat elk model voorspelt over hoe de helderheid van de neutronenster – een kenmerk dat rechtstreeks verband houdt met zijn temperatuur – in de loop van de tijd zal veranderen. De vorm van deze curven hangt af van veel verschillende eigenschappen van de neutronenster, die niet allemaal nauwkeurig uit waarnemingen kunnen worden bepaald. Om deze reden berekende het team afkoelingscurven voor een reeks mogelijke neutronenstermassa’s en magnetische veldsterktes.

Ten slotte bracht een statistische analyse onder leiding van Constantinos alles samen. Machinaal leren Om te bepalen hoe goed de gesimuleerde koelcurven passen bij de eigenschappen van de vreemde ballen, toonde het onderzoek aan dat de toestandsvergelijkingen zonder een snel koelmechanisme nul kans hebben om met de gegevens overeen te komen.

“Neutronensteronderzoek bestrijkt vele wetenschappelijke disciplines, van deeltjesfysica tot… Zwaartekrachtgolven“Het succes van dit werk bewijst hoe belangrijk teamwerk is bij het bevorderen van ons begrip van het universum”, besluit Nanda.

Referentie: “Beperkingen op de toestandsvergelijking van de dichte materie van jonge, koele geïsoleerde neutronensterren” door A. Marino, C. Dehmann, K. Koufalkas, N. Rea, J.A. Vigano, 20 juni 2024, Natuurlijke astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y