Wcześniejsze szacunki dotyczące wielkości gwiazd neutronowych wahały się od ośmiu do 16 kilometrów. Teraz badacze stosując wyrafinowane podejście statystyczne oparte na pomiarach fal grawitacyjnych na nowo określili wielkość gwiazd z dokładnością do 1,5 kilometra.
Gwiazdy neutronowe to najbardziej gęste obiekty we Wszechświecie. Stosunkowo mała kula o średnicy porównywalnej z miastem Frankfurt może mieć masę większą niż masa naszego Słońca. To jednak tylko przybliżone szacunki.
Przez ponad 40 lat określenie wielkości gwiazd neutronowych było Świętym Graalem w fizyce jądrowej, którego rozwiązanie dostarczałoby ważnych informacji na temat podstawowych zachowań materii w jądrach atomowych.
Wyniki badań astrofizyków z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie i FIAS ukazały się na łamach „Physical Review Letters”.
Dane z wykrycia fal grawitacyjnych z łączących się gwiazd neutronowych (GW170817) wniosły istotny wkład w rozwiązanie tej zagadki. Pod koniec 2017 roku profesor Luciano Rezzolla z Instytutu Fizyki Teoretycznej na Uniwersytecie Goethego wraz ze swoimi studentami wykorzystali te dane, aby odpowiedzieć na pytanie o maksymalną masę, jaką mogą utrzymać gwiazdy neutronowe, zanim zapadną się do czarnej dziury. Ich wyniki zostały potwierdzone przez inne zespoły badawcze z całego świata.
Ten sam zespół, z pomocą profesora Juergena Schaffnera-Bielicha, pracował nad ustaleniem bardziej rygorystycznych ograniczeń wielkości gwiazd neutronowych. Fizycy wybrali metody statystyczne do określenia wielkości tych gwiazd.
Aby wyznaczyć nowe granice, obliczyli ponad dwa miliardy teoretycznych modeli gwiazd neutronowych, rozwiązując równania Einsteina opisujące równowagę tych relatywistycznych gwiazd i połączyli ten duży zbiór danych z ograniczeniami pochodzącymi z detekcji fal grawitacyjnych GW170817. Więcej o samej detekcji sygnału o nazwie GW170817 można przeczytać w tekście: Fale grawitacyjne ze zderzenia gwiazd neutronowych. Pierwsza taka detekcja w historii.
- Podejście tego typu nie jest niczym niezwykłym w fizyce teoretycznej. Analizując wyniki dla wszystkich możliwych wartości, możemy skutecznie zmniejszyć naszą niepewność – powiedział Rezzolla. W rezultacie naukowcy byli w stanie określić promień typowej gwiazdy neutronowej z dokładnością do 1,5 kilometra. Ich zdaniem waha się on w zakresie od 12, do 13,5 kilometra.
Przy ultra-wysokich gęstościach materia drastycznie zmienia swoje właściwości i przechodzi tak zwaną "przemianę fazową". Jest to podobne do tego, co dzieje się z wodą, gdy zamarza i przechodzi ze stanu ciekłego w stan stały. W przypadku gwiazd neutronowych spekuluje się, że taka przemiana przekształca zwykłą materię w tzw. materię kwarkową, wytwarzając gwiazdy, które będą miały dokładnie taką samą masę, jak ich bliźniacze gwiazdy neutronowe, ale będą one znacznie mniejsze i w konsekwencji bardziej zwarte.
Choć nie ma dowodów na istnienie takich gwiazd, to są one prawdopodobnymi rozwiązaniami i naukowcy z Frankfurtu wzięli tę możliwość pod uwagę, pomimo dodatkowych komplikacji, jakie sugerują takie gwiazdy. Z obliczeń wyszło, że jeśli faktycznie istnieją, to są bardzo rzadkie. To odkrycie pozwala naukowcom potencjalnie wykluczyć istnienie takich niewielkich obiektów. Przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych ujawnią, czy gwiazdy neutronowe mają egzotyczne bliźnięta.
Źródło: Goethe University Frankfurt am Main, fot. GeoBasis-DE/BKG (2009) Google
