Astronomija

Ar neutroninės žvaigždės turi ergosferą?

Ar neutroninės žvaigždės turi ergosferą?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ergosferos yra juodųjų skylių savybė, ir ar neutroninės žvaigždės ją turi? Jei taip, kodėl retai straipsnyje apie tai užsimenama; jei ne, kodėl neutroninės žvaigždės negali turėti šio ergosferos komponento?


Neutroninės žvaigždės paprastai nėra pakankamai kompaktiškos, kad turėtų ergosferą. Paprastai neutroninės žvaigždės spindulys kelis kartus viršija Schwarzschildo spindulį, atitinkantį jos masę. Tačiau ergosfera prasideda Schwarzschild spinduliu.


Neutroninės žvaigždės ir jų panašumai su juodosiomis skylėmis

Astrofizikams neutroninės žvaigždės yra itin sudėtingi astronominiai objektai. Tyrimai, atlikti bendradarbiaujant SISSA ir paskelbti žurnale „Physical Review Letters“, rodo, kad tam tikru požiūriu šias žvaigždes galima apibūdinti labai paprastai ir kad jos rodo panašumų su juodosiomis skylėmis.

Kiek būdų galima apibūdinti objektą? Paimkite obuolį: tiesiog pažvelgę ​​į jį galime lengvai įvertinti jo svorį, formą ir spalvą, tačiau negalime jo apibūdinti jokiu kitu lygiu, pavyzdžiui, įvertinti jo minkštimo cheminę sudėtį. Kažkas panašaus tinka ir astronominiams objektams: iki šiol vienas iššūkių, su kuriuo susiduria mokslininkai, buvo apibūdinti neutronų žvaigždes branduolinės fizikos lygmeniu. Klausimas, iš kurio susideda šios žvaigždės, iš tikrųjų yra labai sudėtingas ir buvo pasiūlytos kelios sudėtingos būsenos lygtys. Tačiau iki šiol nėra susitarimo, kuris yra teisingiausias (ar geriausias). Teorinis tyrimas, kurį atliko SISSA (Tarptautinė Triesto pažangiųjų studijų mokykla), bendradarbiaudama su Atėnų universitetu, parodė, kad neutronines žvaigždes taip pat galima apibūdinti gana paprastai, stebint jas supančio erdvės laiko struktūrą.

„Neutroninės žvaigždės yra sudėtingi objektai dėl juos sudarančios materijos. Mes galime juos vaizduoti kaip milžiniškus atominius branduolius, kurių spindulys yra apie dešimt kilometrų “, - aiškina pirmasis SISSA atlikto tyrimo autorius Georgios Pappas. "Neutroninė žvaigždė yra tai, kas lieka žlugus masinei žvaigždei: joje esanti medžiaga yra ypač tanki ir daugiausia susideda iš neutronų".

„Branduolinė fizika, reikalinga suprasti šiuose astronominiuose objektuose esančios medžiagos prigimtį, jų apibūdinimą labai apsunkina ir sunku suformuluoti“, - tęsia Pappas. „Naudodamiesi skaitmeniniais metodais, mes įrodėme, kad yra savybių, kurios gali paprastai apibūdinti kai kuriuos neutroninių žvaigždžių ir juos supančio erdvės laiko aspektus, panašiai kaip aprašymas, naudojamas juodosioms skylėms.“

Juodosios skylės yra tikrai unikalūs objektai: jie prarado visą materiją ir susideda tik iš erdvės ir laiko. Kaip ir neutroninės žvaigždės, jos yra didesnės žvaigždės (šiuo atveju daug didesnės nei žvaigždės, sukeliančios neutronines žvaigždes) žlugimo rezultatas, o implozijoje visa materija buvo nušluota. „Jie laikomi tobuliausiais Visatos objektais, o išraiška„ be plaukų “, kurią John Archibaldas Wheeleris sugalvojo norėdamas parodyti jų paprastumą, tapo žinomas. Mūsų skaičiavimais, netgi neutronų žvaigždes galima pavaizduoti labai panašiai “.

Mokslininkai objektams apibūdinti naudoja parametrus „kelių polių momentai“. Juodajai skylei apibūdinti reikalingi momentai yra du, masė ir kampinis impulsas (greitis, kuriuo ji sukasi aplink savo ašį.) Neutroninėms žvaigždėms reikalingi trys momentai: masė, kampinis impulsas ir keturkampis momentas, tai yra koeficientas, apibūdinantis objekto deformacija, kurią sukelia jo sukimasis.

„Mūsų skaičiavimai atskleidė dvi netikėtas išvadas. Pirma, mes atradome, kad šių trijų parametrų pakanka, nes aukštesnio lygio momentai nėra nepriklausomi ir gali būti gaunami iš pirmųjų trijų “, - aiškina Pappas. "Antra stebina išvada, kad aprašymas, pagrįstas šiais parametrais, nepriklauso nuo būsenos lygties lygties, tiksliau sakant: mums net nereikia žinoti, kuri yra būsenos lygtis."

Praktiškai mes galime turėti neutroninės žvaigždės aprašymą, kuris yra nepriklausomas nuo ją formuojančios materijos. „Tai turi didelių padarinių“, - apibendrina Pappas. "Tiesą sakant, naudojant duomenis, surinktus atliekant astrofizinius stebėjimus, pavyzdžiui, neutroninės žvaigždės skleidžiamą spinduliuotę, informaciją apie objektus, gravituojančius aplink žvaigždę, ar kitą informaciją, mes galime atkurti neutroninės žvaigždės ypatybes."

Publikacija: Priimta paskelbti „Physical Review Letters“


Kodėl neutroninės žvaigždės, o ne juodos skylės rodo gravitacinių bangų astronomijos ateitį

Paskutinėmis susijungimo akimirkomis dvi neutroninės žvaigždės skleidžia ne tik gravitacines bangas, bet ir a. [+] katastrofiškas sprogimas, aidintis visame elektromagnetiniame spektre.

Warwick universitetas / Markas Garlickas

Rugpjūčio 17 d. Žemę pasiekė dviejų susiliejusių neutronų žvaigždžių signalai po 130 milijonų šviesmečių kelionės. Po 11 milijardų metų šokio šie kadaise masyvių, mėlynų žvaigždžių, taip seniai mirusių supernovose, liekanos susisuko viena į kitą skleidę pakankamai gravitacinės spinduliuotės, kad pamatytų, kaip skrieja jų orbitos. Kiekvienam judant per kintantį erdvės laiką, kurį sukuria gravitacinis laukas ir kito judėjimas, jo impulsas keičiasi, todėl abi masės laikui bėgant orbituoja artimiau. Galų gale jie susitinka, o kai susitinka, jiems įvyksta katastrofiška reakcija: kilonova. Pirmą kartą įkvėpimą ir susijungimą užfiksavome gravitacinių bangų danguje, pastebėdami jį visuose trijuose detektoriuose („LIGO Livingston“, „LIGO Hanford“ ir „Mergelė“), taip pat elektromagnetiniame danguje nuo gama spindulių iki galo. per optiką ir į radiją. Pagaliau gravitacinių bangų astronomija dabar yra astronomijos dalis.

Nuo pat pirmosios kada nors atrastos dvinarės neutronų žvaigždžių sistemos mes žinojome tą gravitacinę spinduliuotę. [+] nešė energiją. Buvo tik laiko klausimas, kada radome sistemą paskutiniuose įkvėpimo ir susijungimo etapuose.

NASA (L), Maxo Plancko radijo astronomijos institutas / Michaelas Krameris

Žinojome, kad tai turėjo įvykti ilgainiui. Neutroninės žvaigždės turi labai didelę masę, apskaičiuotą virš kiekvienos Saulės masės, ir labai mažą. Įsivaizduokite atomo branduolį, kuriame nėra sauja, kelios dešimtys ar net keli šimtai protonų ir neutronų, o vertingesnė žvaigždė: 10 57 iš jų. Šie neįtikėtini daiktai vis greičiau sukasi erdvėje, nes pats kosmoso audinys dėl abipusio buvimo lenkiasi ir spinduliuoja. Dvejetainių sistemų pulsoriai susilieja, o pačiuose paskutiniuose įkvėpimo etapuose gali būti aptikta įtampa, kurią jie sukelia detektoriui net už šimto milijonų šviesmečių. Dešimtmečius matėme netiesioginius įrodymus: abipusės orbitos irimą. Bet tiesioginiai įrodymai, dabar prieinami, viską keičia.

Detektorių įtampa, kylanti iš dviejų neutroninių žvaigždžių įkvėpimo, gali būti aiškiai matoma net. [+] matomas iš dviejų LIGO detektorių. Mažiau jautrus Mergelės detektorius pateikia nepaprastai tikslią informaciją apie vietą.

B.P. Abbott ir kt., PRL 119, 161101 (2017)

Kiekvieną kartą, kai šios bangos praeina pro jūsų detektorių, jos nežymiai išplečia ir susitraukia lazerio ginklus. Kadangi neutronų žvaigždžių sistema yra labai kruopščiai nuspėjama, genda tokiu greičiu, kurį numato Einšteino lygtys, mes tiksliai žinome, kaip turėtų elgtis įkvėpimo dažnis ir amplitudė. Skirtingai nuo didesnės masės juodųjų skylių sistemų, šių mažos masės sistemų dažnis žymiai ilgesniam laikui patenka į aptiktą LIGO ir Mergelės detektorių diapazoną. Nors didžioji dauguma juodųjų skylių ir juodųjų skylių susiliejimų, užregistruotų LIGO detektoriuose tik sekundės dalimi, šių neutronų žvaigždžių signalai buvo aptikti beveik pusę minutės net ir esant daugiau nei 100 milijonų šviesmečių atstumui!

Šis paveikslas rodo keturių pasitikinčių ir vieno kandidato (LVT151012) gravitacines rekonstrukcijas. Iki šiol LIGO ir Mergelės aptikti [+] bangų signalai, įskaitant naujausią juodosios skylės aptikimą GW170814 (kuris buvo pastebėtas visuose trijuose detektoriuose).

LIGO / Mergelė / B. Farras (Oregono universitetas)

Šį kartą „Fermi“ gama spindulių palydovas aptiko trumpalaikį sprogimą, atitinkantį anksčiau matytas kilonovas, praėjus vos 1,7 sekundės po galutinio gravitacinių bangų signalo „čiulbėjimo“. Praėjus 11 valandų, LIGO / Mergelės komanda danguje nustatė vos 28 kvadratinių laipsnių plotą: mažiausią kada nors matytą lokalizuotą regioną. Nors neutronų žvaigždės signalas buvo daug mažesnio intensyvumo nei juodosios skylės signalai, faktas, kad detektoriai pagavo tiek daug orbitų, komandai suteikė stipriausią signalą iki šiol: signalo ir triukšmo santykis didesnis nei 32!

Pridėdami duomenis iš Mergelės detektoriaus, nors signalo ir triukšmo santykis buvo mažas, mes. [+] sugebėjo tiksliai nustatyti gravitacinių bangų šaltinį.

B.P. Abbott ir kt., PRL 119, 161101 (2017)

Žinodami, kur yra šis signalas, tada galėtume treniruoti didžiausius optinius, infraraudonųjų spindulių ir radijo teleskopus šioje dangaus vietoje, kur buvo galaktika NGC 4993 (tinkamu atstumu). Per kitas dvi savaites mes matėme elektromagnetinį gravitacinių bangų šaltinio atitikmenį ir Fermi matytą gama spindulių pliūpsnį. Pirmą kartą stebėjome neutroninių žvaigždžių susijungimą gravitacinėse bangose ​​ir visame šviesos spektre, patvirtindami tai, ką teoretikai įtarė įspūdingai: kad būtent čia atsiranda dauguma sunkiausių Visatos elementų.

Praėjus vos kelioms valandoms po gravitacinių bangų signalo, optiniai teleskopai galėjo patobulėti. [+] susijungimo galaktika, stebinti sprogimo vietą, praskaidrėja ir išnyksta praktiškai realiu laiku.

P.S. Cowperthwaite / E. Berger / DECam

Be to, šiame susijungime yra užkoduoti keli neįtikėtini faktai, kurių gali nesuvokti faktai, rodantys kelią į gravitacinių bangų astronomijos ateitį.

1.) Dvejetainės neutroninės žvaigždės beveik nesisuka! Atskirai neutroninės žvaigždės gali būti vieni iš greičiausiai besisukančių objektų Visatoje, iki žymios šviesos greičio procentinės dalies. Greičiausias sukasi daugiau nei 700 kartų per sekundę. bet ne dvejetainėje sistemoje! Artimas kitos didelės masės buvimas reiškia, kad potvynio jėgos yra didelės, todėl dėl vieno besisukančio kūno trinties ant kito jos abi sulėtėja. Laikui bėgant jie susilieja, nė vienas negali suktis jokiu pastebimu greičiu, o tai leidžia mums labai griežtai apriboti orbitos parametrus iš gravitacinių bangų signalo.

Kai kurie svarbiausi susijungiančios gravitacinių bangų sistemos parametrai buvo pateikti gana. [+] būtent dėl ​​neutroninės žvaigždės-neutrono žvaigždžių sistemos nesisukančio pobūdžio.

B.P. Abbott ir kt., PRL 119, 161101 (2017)

2.) Mažiausiai 28 Jupiterio masės medžiaga buvo paversta energija E = mc 2 . Dar niekada nematėme neutroninių žvaigždžių ir neutronų žvaigždžių susiliejimo gravitacinėse bangose. Juodosios skylės ir juodosios skylės sistemose, kurių masė lygi, iki 5% visos masės paverčiama energija. Tikimasi, kad neutronų žvaigždžių sistemose jo bus mažiau, nes susidūrimas įvyksta tarp branduolių, o ne tarp singuliarumų, kurių abi masės negali pasiekti taip arti. Vis dėlto mažiausiai 1% visos masės buvo paversta gryna energija per Einšteino masės ir energijos ekvivalentą, labai įspūdingą ir didelį energijos kiekį!

Visos be masės dalelės, įskaitant fotoną, gluoną ir gravitaciją, sklinda šviesos greičiu. [+] bangos, perduodančios atitinkamai elektromagnetinę, stiprią branduolio ir gravitacijos sąveiką.

NASA / Sonomos valstybinis universitetas / Aurore Simonnet

3.) Gravitacinės bangos juda tiksliai šviesos greičiu! Iki šio aptikimo mes niekada neturėjome gravitacinės bangos ir šviesos signalo, kuriuos būtų galima vienu metu atpažinti, kad būtų galima palyginti vienas kitą. Po 130 milijonų šviesmečių kelionės pirmasis šio aptikimo elektromagnetinis signalas pasirodė praėjus vos 1,7 sekundės po gravitacinių bangų signalo smailės. Tai reiškia, kad gravitacijos greičio ir šviesos greičio skirtumas yra maždaug 0,12 mikronųper sekundę, arba 0,0000000000000004%. Manoma, kad šie du greičiai yra visiškai vienodi, o šviesos signalo vėlavimą lemia tai, kad neutronų žvaigždės šviesą sukeliančios reakcijos pasiekia sekundę ar dvi, kad pasiektų paviršių.

Galaktika NGC 4993, esanti už 130 milijonų šviesmečių, anksčiau buvo vaizduojama daug kartų. Bet. [+] iškart po to, kai 2017 m. rugpjūčio 17 d. buvo aptiktos gravitacinės bangos, buvo pastebėtas naujas trumpalaikis šviesos šaltinis: neutroninių žvaigždžių ir neutronų žvaigždžių susijungimo optinis atitikmuo.

P.K. Blanchardas / E. Bergeris / „Pan-STARRS“ / DECam

4.) Galimas greitesnis reagavimo laikas! Kai pirmą kartą danguje aptikome elektromagnetinio signalo trimatę vietą, praėjo dvylika valandų. Žinoma, mes galėjome nedelsdami stebėti optinį atitikmenį, bet geriau būtų patekti į pirmąjį aukštą. Gerėjant automatinei analizei ir visų trijų detektorių sinchronizavimui, tuo geriau pasielgsime. Per ateinančius metus LIGO taps šiek tiek jautresnė, Mergelei seksis geriau, o du papildomi į LIGO panašūs detektoriai - KAGRA Japonijoje ir LIGO-India - prisijungs prie interneto. Vietoj pusės dienos netrukus galime kalbėti apie atsakymo laiką per kelias minutes ar net sekundes.

Žemėje „LIGO Livingston“ detektoriaus „trikdis“ reiškė automatizuotą programinę įrangą. [+] nepavyko išgauti signalo, todėl reikia rankiniu būdu įsikišti.

B.P. Abbott ir kt., PRL 119, 161101 (2017)

5.) Nuvykimas į kosmosą bus pagrindinis gravitacinių bangų stebėjimo būdas. Čia, ant žemės, priežastis, kodėl taip ilgai užtruko vietos paieška, buvo ta, kad Livingstone (LA) įvyko „triukšmo“ triktis: kažkas sukėlė žemės detektoriaus vibraciją. Todėl automatizuota programinė įranga negalėjo išgauti tikrojo signalo, todėl reikėjo rankinio įsikišimo. „LIGO-Virgo“ komanda atliko nuostabų darbą, tačiau jei tai būtų kosmoso detektoriai, tai net nebūtų buvę problema. Tarpplanetinės erdvės bedugnėje nėra seisminio triukšmo.

Susijungusios neutroninės žvaigždės gali parodyti gravitacines bangas ir elektromagnetinius signalus. [+] vienu metu, skirtingai nei juodosios skylės.

Dana Berry / „Skyworks Digital, Inc.“

Skirtingai nuo juodųjų skylių sujungimo, įkvepiančios ir sujungiamos neutronų žvaigždės:

  • Dėl mažos jų masės galima pamatyti daug ilgiau,
  • Skleis elektromagnetinius analogus, leisiančius suvienyti gravitacinį ir elektromagnetinį dangų,
  • Jų yra daug daugiau, tik dėl to, kad matėme daugiau juodųjų skylių, yra padidėjęs jų atstumas,
  • Ir gali būti naudojamas norint sužinoti informaciją apie Visatą, pvz., Traukos greitį, kurio juodosios skylės negali mūsų išmokyti.

Maždaug 11 valandų nuo susijungimo iki pirmųjų optinių ir infraraudonųjų spindulių parašų vėluojama ne dėl fizikos, o dėl mūsų pačių instrumentinių apribojimų. Tobulėjant mūsų analizės metodams ir atrandant daugiau įvykių, mes tiksliai sužinosime, per kiek laiko užtrunka matomos šviesos parašai, susiliejus neutronų žvaigždėms ir neutronams.

Pagaliau patvirtinta sunkiųjų elementų kilmė, gravitacijos greitis yra galutinai žinomas, o gravitacinė banga ir elektromagnetinis dangus yra vienas. Visi LIGO abejojantieji dabar turi nepriklausomą patvirtinimą, dėl kurio jie gailisi, ir nelieka jokių dviprasmybių. Astronomijos ateitis apima gravitacines bangas, ir ta ateitis yra čia, šiandien. Sveikinimai, vienas ir visi. Šiandien visa Žemė yra naudinga šioms neįtikėtinoms žinioms.


Astronomai pastebėjo susiduriančias neutronines žvaigždes, kurios galėjo suformuoti magnetarą

Gama spindulių šviesos pliūpsnis kitoje galaktikoje (parodytas menininko iliustracijoje) sufleruoja, kad susidūrusios neutroninės žvaigždės sukūrė magnetarą.

Pasidalinti:

2020 m. Gruodžio 1 d. 8:00 val

Stebėtinai ryškus kosminis smūgis galėjo pažymėti magnetaro gimimą. Jei taip, tai būtų pirmas kartas, kai astronomai matytųsi tokio greitai besisukančio, itin įmagnetinto žvaigždės lavono susidarymą.

Tas akinantis šviesos blyksnis įvyko, kai susidūrė dvi neutronų žvaigždės ir susiliejo į vieną masyvų objektą, astronomai praneša būsimame leidinyje Astrofizikos žurnalas. Nors ypač ryški šviesa gali reikšti, kad buvo sukurtas magnetaras, kiti paaiškinimai yra įmanomi, sako mokslininkai.

Astrofizikas Wen-fai Fongas iš Šiaurės vakarų universiteto Evanstone (Ill.) Su kolegomis pirmą kartą neutronų žvaigždės katastrofos vietą pastebėjo kaip gama spindulių pliūpsnį, aptiktą NASA orbitoje aplink Neilą Gehrelsą esančioje Swift observatorijoje gegužės 22 d. Rentgeno spinduliai, matomi ir infraraudonieji šviesos bangos ilgiai parodė, kad gama spindulius lydėjo būdingas švytėjimas, vadinamas kilonova.

Manoma, kad kilonovai susidaro po to, kai susiduria ir susilieja dvi neutroninės žvaigždės, negyvų žvaigždžių ultravioletinės šerdys. Susijungimas aplink susidūrimo vietą purškia daug neutronų turinčią medžiagą, „niekur kitur nematytą visatoje“, sako Fongas. Ši medžiaga greitai gamina nestabilius sunkiuosius elementus, ir šie elementai netrukus suyra, kaitindami neutronų debesį ir priverčdami jį švytėti optinėje ir infraraudonojoje šviesoje (SN: 19.10.23).

Astronomai mano, kad kilonovai susidaro kiekvieną kartą, kai susilieja neutronų žvaigždžių pora. Tačiau susijungus atsiranda ir kita, ryškesnė šviesa, kuri gali užteršti kilonovos signalą. Todėl astronomai anksčiau, 2017 m. Rugpjūčio mėn., Matė tik vieną galutinę kilonovą, nors yra ir kitų galimų kandidatų (SN: 2017-10-16).

Šviesa, kurią matė Fongo komanda, vis dėlto sugėdino 2017-ųjų kilonovą. "Tai potencialiai šviesiausia kilonova, kurią mes kada nors matėme", - sako ji. "Tai iš esmės sugadina mūsų supratimą apie skaisčius ir ryškius, kuriuos kilonovai turėtų turėti."

Didžiausias ryškumo skirtumas buvo infraraudonųjų spindulių šviesoje, matuojamas Hablo kosminiu teleskopu praėjus maždaug 3 ir 16 dienų po gama spindulių pliūpsnio. Ta šviesa buvo 10 kartų ryškesnė nei infraraudonųjų spindulių šviesa, matyta ankstesniuose neutronų žvaigždžių susijungimuose.

"Tai buvo tikrasis akių atvėrimo momentas, ir tada mes stengėmės ieškoti paaiškinimo", - sako Fongas. "Turėjome sugalvoti papildomą [energijos] šaltinį, kuris padidino tą kilonovą".

Jos mėgstamiausias paaiškinimas yra tas, kad katastrofos metu atsirado magnetaras, kuris yra neutronų žvaigždės tipas. Paprastai susiliejus neutroninėms žvaigždėms, jų gaminama meg neutronų žvaigždė yra per sunki, kad išgyventų. Beveik iš karto žvaigždė pasiduoda intensyvioms gravitacinėms jėgoms ir sukuria juodąją skylę.

Bet jei supermasyvi neutroninė žvaigždė greitai sukasi ir yra labai magnetiškai įkrauta (kitaip tariant, yra magnetinė), ji galėtų išgelbėti save nuo griūties. Mokslininkai teigia, kad tiek jo sukimosi palaikymas, tiek energijos išmetimas, taigi ir tam tikra masė, gali įstrigti į aplinkinį neutronų turtingą debesį, kad žvaigždė netaptų juoda skylė. Ši papildoma energija savo ruožtu paskatins debesį skleisti daugiau šviesos - papildomą infraraudonųjų spindulių spindesį, kurį pastebėjo Hablas.

Prisiregistruokite gauti naujausią iš Mokslo naujienos

Antraštės ir naujausių santraukos Mokslo naujienos straipsniai, pristatomi į jūsų pašto dėžutę

Tačiau yra ir kitų galimų ypač ryškios šviesos paaiškinimų, sako Fongas. Jei susidūrusios neutroninės žvaigždės sukeltų juodąją skylę, ta juodoji skylė galėjo paleisti beveik šviesos greičiu judančią įkrautos plazmos srautą (SN: 19.2.22). Pasak jos, išsami informacija apie tai, kaip reaktyvas sąveikauja su daug neutronų turinčia medžiaga, supančia susidūrimo vietą, taip pat gali paaiškinti papildomą kilonovos švytėjimą.

Jei būtų pagamintas magnetaras, „tai galėtų mums ką nors pasakyti apie neutronų žvaigždžių stabilumą ir tai, kaip jos gali būti masyvios“, - sako Fongas. „Mes nežinome didžiausios neutroninių žvaigždžių masės, tačiau žinome, kad daugeliu atvejų jos [po susijungimo] subyrėtų į juodąją skylę. Jei neutroninė žvaigždė išliko, ji mums pasakoja, kokiomis sąlygomis neutroninė žvaigždė gali egzistuoti “.

Rasti kūdikio magnetarą būtų įdomu, sako astrofizikas Om Sharanas Salafia iš Italijos Nacionalinio astrofizikos instituto Merate mieste, kuris nedalyvavo naujuose tyrimuose. "Dar niekada nebuvo pastebėta naujagimio, labai įmagnetinto, labai besisukančios neutrono žvaigždės, susidariusios susijungus dviem neutroninėms žvaigždėms", - sako jis.

Bet jis sutinka, kad per anksti atmesti kitus paaiškinimus. Be to, naujausi kompiuteriniai modeliai rodo, kad gali būti sunku pamatyti naujagimio magnetarą, net jei jis susiformavo, sako jis. "Nepasakyčiau, kad tai išspręsta".

Stebėdama, kaip objekto šviesa elgiasi per ateinančius keturis mėnesius iki šešerių metų, Fong ir jos kolegos apskaičiavo, įrodys, ar gimė magnetaras.

Pati Fong planuoja ilgai stebėti paslaptingą objektą su esamomis ir būsimomis observatorijomis. „Tikriausiai stebėsiu, kol būsiu sena ir pilka“, - sako ji. "Aš mokysiu tai daryti ir savo mokinius."

Turite klausimų ar komentarų apie šį straipsnį? Parašykite mums el. Laišką adresu [email protected]

Šio straipsnio versija pateikiama 2020 m. Gruodžio 19 d Mokslo naujienos.


Išankstinis perspėjimas

„Sachdev“ ir bendradarbiai analizuoja „GstLAL“, ankstyvojo įspėjamojo gravitacinių bangų aptikimo vamzdyno, skirto LIGO / Virgo, veikimą, kuris ieško jungimosi artėjančių neutroninių žvaigždžių dvejetainių signalų.

Autorių dujotiekio atstatytų injekcinių dvejetainių neutronų žvaigždžių susijungimo signalų dangaus lokalizacijos kumuliaciniai pasiskirstymai. Rezultatai rodo, kad bent jau vienas įvykis per metus bus aptiktas prieš susijungimą ir lokalizuotas 100 laipsnių ribose.
Sachdev ir kt. 2020 m

Įmesdami susijungimo signalus į imituojamą duomenų rinkinį, autoriai parodo, kad dujotiekis daugelį šių signalų gali atkurti likus 10–60 sekundžių iki susijungimo. Šie ankstyvi aptikimai yra įmanomi, kai susijungimai vyksta netoliese, todėl didelis signalų ir triukšmo santykis gali susikaupti, kai neutronų žvaigždės įkvepia paskutines jų susidūrimo akimirkas.


Neutroninės žvaigždės yra labai, labai keistos - ir mes ką tik sužinojome apie jas naują įspūdingą detalę

Autorius Matthew Rozsa
Paskelbta 2021 m. Balandžio 30 d. 8:00 AM (EDT)

Labai įmagnetinta besisukanti neutronų žvaigždė („Getty Images“ / Pitris)

Akcijos

Įsivaizduokite, kad mirė didžiulė žvaigždė, kur kas didesnė už mūsų pačių saulę. Pirmiausia įvyksta įspūdingas sprogimas, po kurio seka viskas, kas liko. Kartais tai yra juodoji skylė, kuri gali būti patraukli savaime, o kitomis progomis mums lieka itin tankus sugriuvęs buvusios didingos žvaigždės šerdis. Tie objektai yra žinomi kaip neutronų žvaigždės - ir mokslininkai mano, kad jie ką tik galėjo sugalvoti būdą sužinoti daugiau apie šiuos labai keistus, tolimus kūnus.

Norėdami tai padaryti, jie ištyrė kažką labai, labai mažo: atomų branduolį arba mažiausią paprastosios materijos vienetą, kuris gali sudaryti cheminį elementą. Kaip ir pačioje Saulės sistemoje, atomuose yra didžiulis centras, aplink kurį sukasi mažesni daiktai. Mūsų Saulės sistemos atveju centras yra saulė, o mažesni objektai yra įvairios planetos ir kiti dangaus kūnai. Atomo atveju centras yra branduolys, susidedantis iš protonu ir neutronu vadinamų dalių, kurias savo ruožtu supa besisukantys elektronai.

„Jei grįšite atgal, kai pirmą kartą pradėjome žiūrėti į [atominius] branduolius, mes naudojome elektronus, kad nustatytume branduolio dydį“, - Virdžinijos universiteto eksperimentinės branduolių ir dalelių fizikos profesorius dr. Kentas Paschke'as ir kt. - naujojo tyrimo autorius, - sakė salonas. "Mes tarsi padarėme naują branduolio vaizdą, kad paaiškintume ne tik protonų buvimo vietą, bet ir visas branduolyje esančias medžiagas. Tai, ką mes sužinojome, yra vidutinis švino branduolio tankis. Tai, kas mums sako, yra detalės apie branduolinę struktūrą, kurios dar niekada neturėjome, o tai yra sunku sukurti tankią, daug neutronų turinčią medžiagą “.

Kaip tai susiję su neutroninėmis žvaigždėmis? Paprasčiau tariant, ši nauja informacija gali padėti mums sužinoti daugiau apie jų dydį ir fizines savybes.

"Iš esmės fizika yra ta pati", - paaiškino Paschke. "Sąveikos rūšys yra tos pačios. Mes manome, kad galime pakeisti situaciją mažame branduolyje į situaciją žvaigždės viduje. Ir tai, ką mėgsta daryti fizikai, mėgsta turėti bendrą taisyklę, taikomą daugeliui skirtingų sistemų . "

Jis pridūrė, kad tai, ko jie išmoko, yra "švino branduolio neutrono odos storis. Taigi tai yra kitokia sistema nei neutronų žvaigždė. Ir mes kalbame apie tai, kur neutronai yra švino branduolyje, ir tada pasekmės visam neutroninės žvaigždės dydžiui ".

Svarbu pažymėti, kad neutroninės žvaigždės nėra panašios į viską, ką galime įsivaizduoti čia, Žemėje. Pasak Floridos valstijos universiteto fiziko dr. Jorge Piekarewicziaus, kuris buvo neutroninių žvaigždžių tyrimų bendraautoris, jie atsirado iš žvaigždžių, kurios labai skiriasi nuo mūsų saulės. Žvaigždės, tokios kaip mūsų saulė, sukuria energiją per termobranduolines reakcijas ir, mirusios, tampa „baltųjų nykštukų“ žvaigždėmis. Neutroninė žvaigždė, priešingai, yra sukurta, kai užges daug, daug didesnė už saulę žvaigždė.

„Kaip rodo pavadinimas, neutronų žvaigždės yra pagamintos daugiausia iš neutronų, skirtingai nei mūsų saulė, kurią daugiausia gamina iš pirminio vandenilio, sukurto Didžiojo sprogimo metu“, - elektroniniu paštu „Salon“ sakė Piekarewiczas. "Neutroninės žvaigždės yra tokios pat sunkios kaip mūsų saulė, tačiau jų spindulys yra maždaug 100 000 kartų mažesnis. Taigi jie yra tankiausi visatos objektai. Cukraus kubas iš neutroninių žvaigždžių medžiagos sveria tiek pat, kiek ir visas pasaulio gyventojas. "

Piekarewiczas pridūrė, kad neutroninės žvaigždės yra neįprastos - tiems, kurie esame Žemėje, t. Y., Nes jose yra medžiagų, kurių negalima pagaminti mūsų planetoje, magnetiniai laukai yra eksponentiškai stipresni už mūsų planetos magnetinį lauką ir yra eksponentiškai tankesni už vandenį.

„Tyrimas yra nepaprastas, nes jis sujungia tokius mažus objektus kaip atomo branduolys (kurių dydis yra keli femtometrai) su tokiais astronominiais objektais kaip neutronų žvaigždė (kurių matmenys yra apie 10 kilometrų)“, - paaiškino Piekarewiczius. "Tyrimas rodo, kad neutroninės žvaigždės yra didesnės nei tikėtasi, o tai visiškai atitinka naujausius NICER misijos pastebėjimus Tarptautinėje kosminėje stotyje. Taigi tyrimas nustato įtikinamą ryšį tarp antžeminių eksperimentų ir astronominių stebėjimų - partnerystė, kuri padės dar labiau sustiprės naujojoje gravitacinių bangų astronomijos eroje “.

Matthew Rozsa

Matthew Rozsa yra „Salon“ darbuotojas. Jis turi istorijos magistro laipsnį Rutgerso universitete-Niuarke ir yra ABD istorijos mokslų daktaro programoje Lehigh universitete. Jo darbai pasirodė „Mic“, „Quartz“ ir „MSNBC“.


Literatūra

  1. K. Yagi ir N. Yunes, „Apytiksliai visuotiniai neutroninių ir kvarkinių žvaigždžių santykiai“, Phys. Rep. 681, 1 (2017).
  2. D. D. Doneva ir G. Pappas, „Visuotiniai santykiai ir alternatyvios gravitacijos teorijos“, Astrophys. Kosmoso mokslai. Libr. 457, 737 (2018).
  3. H. O. Silva ir kt., „Astrofizinės ir teorinės fizikos padariniai iš daugiatikčių neutroninių žvaigždžių stebėjimų“, Phys. Kun. Lett. 126, 181101 (2021).
  4. K. Yagi ir N. Yunes, „Aš-meilė-Q: netikėti visuotiniai santykiai su neutroninėmis žvaigždėmis ir kvarko žvaigždėmis“, mokslas 341, 365 (2013).
  5. M. Bauböck ir kt., "Ryšys tarp neutronų žvaigždžių parametrų Hartle'o-Thorne'o aproksimacijoje", Astrophys. Dž. 777, 68 (2013).
  6. C. Breu ir L. Rezzolla, „Reliatyvistinių žvaigždžių maksimali masė, inercijos momentas ir kompaktiškumas“, pirm. Ne. Roy. Astronas. Soc. 459, 646 (2016).
  7. T. E. Riley ir kt., „PSR J0030 + 0451 NICER vaizdas: milisekundžių pulsaro parametrų įvertinimas“, Astrophys. J. Lett 887, L21 (2019).
  8. M. C. Milleris ir kt., „PSR J0030 + 0451 masė ir spindulys pagal NICER duomenis ir reikšmė neutroninių žvaigždžių materijos savybėms“, Astrophys. J. Lett. 887, L24 (2019).
  9. J. M. Lattimer ir B. F. Schutz, „Būsenos lygties su inercijos momento matavimais apribojimas“, Astrophys. Dž. 629, 979 (2005).
  10. M. Kramer ir N. Wex, „Dvigubo pulsaro sistema: unikali gravitacijos laboratorija“, klasė. Kiekis. Grav. 26, 073001 (2009).

Poveikis

Neutronų žvaigždžių susidūrimai mus moko apie tankiausios Visatos materijos pobūdį. Šio dalyko savybes galima iš dalies suprasti matuojant neutroninių žvaigždžių spindulius. Dar visai neseniai stebėtojai padarė išvadą, kad tipiški neutronų žvaigždžių spinduliai svyruoja nuo 10 iki 14 km su dideliu neapibrėžtumu. Šis darbas savarankiškai ir tiksliau nustato neutronų žvaigždės spindulį. Patobulinti apribojimai turės įtakos būsimų neutroninių žvaigždžių stebėjimų aiškinimui ir padės mokslininkams geriau suprasti visatą.


Mokslininkai nustatė keistą panašumą tarp žmogaus ląstelių ir neutroninių žvaigždžių

Jei palygintumėte save su neutronų žvaigžde, greičiausiai nerastumėte labai daug bendrų dalykų. Juk neutroninės žvaigždės - dangaus kūnai su itin stipriu magnetiniu lauku - yra pagamintos iš sugriuvusių žvaigždžių šerdžių, guli šviesmečių atstumu nuo Žemės ir net nežiūri „Netflix“.

Tačiau, remiantis naujais tyrimais, mes turime bent vieną panašumą: mus sudarančios materijos geometrija.

Tyrėjai nustatė, kad neutroninės žvaigždės „pluta“ (arba išoriniai sluoksniai) yra tokios pat formos, kaip ir mūsų ląstelių membranos. Tai gali reikšti, kad, nepaisant to, kad iš esmės skiriasi, tiek žmones, tiek neutronines žvaigždes riboja ta pati geometrija.

„Matant labai panašias formas tokiose ryškiai skirtingose ​​sistemose, galima teigti, kad sistemos energija gali priklausyti nuo jos formos paprastai ir universaliai“, - sakė vienas iš tyrėjų, astrofizikas Charlesas Horowitzas iš Indianos universiteto Blumingtone.

Norėdami suprasti šią išvadą, turime greitai pasinerti į keistą branduolinės medžiagos pasaulį, kurį tyrėjai vadina „branduoliniais makaronais“, nes jie panašūs į spagečius ir lazaniją. Pasižiūrėk pats:

D. K. Berry ir kt.

Šie branduoliniai makaronai susidaro tankioje neutronų žvaigždės plutoje dėl tolimojo atstūmimo jėgų, konkuruojančių su tuo, kas vadinama stipria jėga, kuri yra jėga, kuri sujungia kvarkus.

Kitaip tariant, dvi galingos jėgos veikia viena prieš kitą ir verčia medžiagą - susidedančią iš įvairių dalelių - struktūrizuotis į pastolius (makaronus).

Kaip paaiškina vienas iš komandos, biologas fizikas Gregas Huberis iš Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje:

„Kai neutronų žvaigždės paviršiuje turite tankų protonų ir neutronų rinkinį, kaip ir jūs, stipri branduolinė jėga ir elektromagnetinės jėgos susivienija, suteikdamos materijos fazes, kurių negalėtumėte nuspėti, jei ką tik pažvelgtumėte. tose jėgose, veikiančiose mažose neutronų ir protonų kolekcijose “.

Dabar paaiškėja, kad šios į makaronus panašios struktūros labai panašios į biologinių ląstelių struktūras, nors jos labai skiriasi.

Šis keistas panašumas pirmą kartą buvo atrastas 2014 m., Kai Huberis tyrė unikalias mūsų endoplazminio tinklo (ER) formas - mažą mūsų ląstelių organelę, gaminančią baltymus ir lipidus.

Iš pradžių Huberis manė, kad šios ER struktūros - kurias jis pavadino „automobilių garažais“ arba, formaliau kalbant, „Terasaki“ rampomis - įvyko tik minkštosios medžiagos viduje.

But the he saw Horowitz's models of neutron stars, and was surprised to find that the structures of the ER looked a heck of a lot like the structures inside neutron stars.

"I called Chuck [Horowitz] and asked if he was aware that we had seen these structures in cells and had come up with a model for them," Huber said. "It was news to him, so I realised then that there could be some fruitful interaction."

You can see the ER structures (left) compared to the neutron stars (right) below:

University of California, Santa Barbara

The discovery brought both of the scientists together to compare and contrast the differences between the structures, such as the conditions required for them to form.

Normally, matter is characterised by a phase – sometimes called its state – such as gas, solid, liquid Different phases are usually influenced by a plethora of various conditions, like how hot the matter is, how much pressure it’s under, and how dense it is.

These factors change wildly between soft matter (the stuff inside cells) and neutron stars (nuclear matter). After all, neutron stars form after supernovae explosions, and cells form within living things. With that in mind, it’s quite easy to see that the two things are very different.

"For neutron stars, the strong nuclear force and the electromagnetic force create what is fundamentally a quantum mechanical problem," Huber said.

"In the interior of cells, the forces that hold together membranes are fundamentally entropic and have to do with the minimisation of the overall free energy of the system. At first glance, these couldn't be more different."

While the similarity is cool, and makes us feel connected to the cosmos in a strange way, the differences signify the importance of the discovery, because they hint that two very different things – cells and neutron stars – might be guided by the same geometric rules that we're only just beginning to understand.

It will take further research to really figure out what's going on here, but it’s a starting point that could help us understand something fundamental about how matter is structured, and we're excited to see where that leads.


The origin of neutron stars

When a star that is between about three to eight times as massive as the Sun dies, it goes in spectacular fashion. The star's core temperatūra is in excess of half a billion degrees kelvin, and must remain this hot for thermonuclear fusion reactions involving its last reserves of fuel to take place.

Then the fuel runs out. No longer able to produce fusion reactions to sustain it, the star collapses. The core—a few million trillion trillion tons of it—falls in on itself, and in the ensuing cataclysm the star's outer layers are flung outward in a supernova explosion.

Intuition might tell you that the collapsing core will keep falling, squeezing itself together until it becomes so dense that it can fall no farther. This is like when you crumple a sheet of paper into a ball. You can only squeeze it to a certain point, after which it is too tightly packed to reduce its size any further.

In the case of a collapsing star, a law of fizika known as the Pauli exclusion principle describes this phenomenon. Atoms are composed of a nucleus surrounded by electrons. Electrons do not "orbit" the nuclei in the sense that planets Orbita the Sun rather, electrons exist in what are called "energy states," meaning that they have only certain amounts of energijos . The Pauli Exclusion Principle states that two identical electrons may not share the same energy state. It is therefore possible for the energy levels of an atom to become completely filled with electrons, in the same way that an auditorium can only hold as many people as it has seats. Matter with its energy levels filled like this is called išsigimęs.

The Pauli exclusion principle will come into play when the Sun dies and its core collapses. The anglies and deguonies atoms will become squeezed together until the atomic levels are filled and the whole core becomes a ball of degenerate matter. At this point, the resistance of the electrons to gravity, or electron degeneracy pressure, will halt the contraction. This ball of hot, degenerate, carbon and oxygen atoms is called a baltasis nykštukas , and it is the fate of the Sun.

If the collapsing core is between 1.4 and about 2.5 times the mass of the Sun, however, the gravity will be so strong that the electron degeneracy pressure will fail. Unable to resist the weight of their own gravity, the atoms will be crushed into a ball made mainly of neutrons about 32,810 ft (10 km) across. This object is called a neutron star.


A new way to see Inside Neutron Stars

Imagine trying to study an object light-years away that is less than 20 kilometers in diameter. The object is so dense that it’s made of material that can’t exist naturally on Earth. This is the challenge astronomers face when studying neutron stars, so they have to devise ingenious ways to do it. Recently a team figured out how to study them by using the power of resonance.

Resonance occurs when energy is given to a system near the natural oscillation frequency of an object. For example, if you want to make a swing go high, you can’t just pump your legs at any speed. You have to time things so that you are in sync with the natural motion of the swing. Do it right, and you can really get the swing going. Resonance is used in all kinds of things, from the receiver on your mobile phone to amusement park wave pools.

The incomparable Ella Fitzgerald sings a note to shatter glass in a 1970s advertisement. Credit: Memorex at 50

Perhaps the most famous demonstration of resonance is the 1970s Memorex commercial where jazz singer Ella Fitzgerald sang a high C so loud and pure that she could shatter a wine glass. Ella’s note was close enough to the natural frequency of the glass that it vibrated strongly enough for the glass to shatter. This is essentially the method the team used, but instead of sound, the study relied on gravitational waves to do the shattering.

When two neutron stars orbit each other closely, the gravitational attraction between them can cause the surface of these stars to flex slightly. If the rate of this flexing is in sync with a natural frequency of the star, the flexing builds to the point that the surface of the neutron star cracks, similar to the way a wine glass shatters. When the surface cracks, the star emits a bright burst of gamma rays. The effect is known as a Resonant Shattering Flare. We can observe these gamma-ray flares every time the surface shatters.

Close orbiting neutron stars create gravitational waves. Credit: R. Hurt/Caltech-JPL

Of course, neutron stars can emit gamma-ray flares for other reasons as well. So to determine which flares are from resonance, the team proposes looking at gravitational waves as well. Closely orbiting neutron stars emit gravitational waves as they spiral ever closer together. The frequency of these gravitational waves could tell astronomers the frequency at which the neutron star surface is being flexed. The combination of gamma-ray and gravitational wave observations would allow astronomers to determine the resonant frequency of the neutron star.

As the team points out, this would allow astronomers to understand what’s known as the symmetry energy of nuclear material. This relates to the ratio of protons and neutrons in the nucleus of an atom, and by studying symmetry energy astronomers could better understand the interiors of neutron stars.

Nuoroda: Neill, Duncan, William G. Newton, and David Tsang. “Resonant Shattering Flares as Multimessenger Probes of the Nuclear Symmetry Energy.” Mėnesiniai Karališkosios astronomijos draugijos pranešimai (2021): stab764.