Noul instrument permite oamenilor de știință să privească în interiorul stelelor neutronice

Imaginați-vă că luați o stea de două ori masa Soarelui și o zdrobiți până la dimensiunea Manhattanului. Rezultatul ar fi o stea neutronică – unul dintre cele mai dense obiecte găsite oriunde în univers, depășind cu un factor de zeci de trilioane densitatea oricărei materii naturale de pe Pământ. Stelele neutronice sunt obiecte astrofizice neobișnuite în sine, dar densitatea lor extremă le poate permite, de asemenea, să servească drept laboratoare pentru studierea problemelor fundamentale ale fizicii nucleare, în condiții care nu ar putea fi niciodată reproduse pe Pământ.

Din cauza acestor circumstanțe ciudate, oamenii de știință încă nu înțeleg exact ce stele neutronice Ei înșiși sunt formați din așa-numita „ecuație de stare” (EoS). Determinarea acestuia este obiectivul principal al cercetării astrofizice moderne. O nouă piesă a puzzle-ului, care limitează gama de posibilități, a fost descoperită de doi cercetători de la IAS: Caroline Raethel, John N. Bahkal Fellow la Colegiul de Științe Naturale; Și Elias Most, membru al școlii și John A. Wheeler la Universitatea Princeton. Lucrarea lor a fost publicată recent în Scrisori din jurnalul astrofizic.

În mod ideal, oamenii de știință ar dori să arunce o privire la aceste obiecte ciudate, dar sunt prea mici și prea departe pentru a fi fotografiate cu telescoapele standard. Oamenii de știință se bazează în schimb pe proprietățile indirecte pe care le pot măsura – cum ar fi masa și raza unei stele neutronice – pentru a calcula EoS, în același mod în care s-ar putea folosi lungimea laturii unui triunghi dreptunghic pentru a calcula ipotenuza. Cu toate acestea, este foarte dificil să măsori cu precizie raza unei stele neutronice. O alternativă promițătoare pentru observațiile viitoare este utilizarea unei mărimi numită „frecvență spectrală de vârf” (sau f.).₂) in locul lui.

Dar cum este f₂ măsurat? Ciocnirile dintre stele neutronice, guvernate de legile teoriei relativității lui Einstein, duc la izbucniri puternice de emisie de unde gravitaționale. În 2017, oamenii de știință au măsurat direct aceste emisii pentru prima dată. „În principiu, cel puțin, vârful de frecvență spectrală poate fi calculat din semnalul undei gravitaționale emis de rămășițele oscilante ale două stele neutronice care fuzionează”, spune Most.

Era de așteptat anterior ca f₂ Ar fi o alternativă rezonabilă la rază, deoarece cercetătorii cred – până acum – că este o potrivire directă sau „aproape universală” între ei. Cu toate acestea, Raithel și Most dovedesc că acest lucru nu este întotdeauna adevărat. Ei arată că identificarea EoS nu este același lucru cu rezolvarea unei simple probleme de acord. În schimb, este mai degrabă ca și cum ai calcula cea mai lungă latură a unui triunghi neregulat, deoarece avem nevoie și de o a treia informație: unghiul dintre cele două laturi mai scurte. Pentru Raithel și Most, această a treia informație este „relația masă-rază pantă”, care codifică informații despre EoS la densități mai mari (și, prin urmare, în condiții mai extreme) decât numai raza.

Această nouă descoperire va permite cercetătorilor să lucreze cu următoarea generație de observatoare de unde gravitaționale (succesoare ale LIGO care funcționează în prezent) pentru a utiliza mai bine datele obținute după fuzionarea stelelor neutronice. Potrivit lui Raithel, aceste date ar putea dezvălui componentele de bază ale materiei stelelor neutronice. „niste previziuni teoretice Raythel subliniază că în nucleele stelelor neutronice, tranzițiile de fază pot dizolva neutronii în particule subatomice numite quarci. Aceasta înseamnă că stelele conțin în ele o mare de materie de quarci libere. Munca noastră poate ajuta cercetătorii de mâine să stabilească dacă acest lucru este adevărat Tranziții de fază deja vorbit.”