دانشمندان یک ستاره نوترونی را وزن می کنند تا فیزیک عجیب درون آن را ببینند: ScienceAlert

ستاره های نوترونی از افراطی ترین اجرام در جهان هستند. آنها که از هسته های فروپاشیده ستارگان غول پیکر تشکیل شده اند، وزن آنها بیشتر از خورشید ماست و در عین حال به شکل کره ای به اندازه یک شهر فشرده می شوند.

هسته های متراکم این ستارگان عجیب و غریب حاوی مواد خرد شده به حالت های منحصر به فرد است که ما نمی توانیم آن ها را تولید کنیم و روی زمین مطالعه کنیم. به همین دلیل است که ناسا در مأموریتی است تا ستاره‌های نوترونی را مطالعه کند و درباره فیزیک حاکم بر ماده درون آنها بیاموزد.

من و همکارانم به آنها کمک کرده ایم. ما از سیگنال های رادیویی از یک دستگاه چرخش سریع استفاده کردیم ستاره نوترونی برای اندازه گیری جرم آن این امر به دانشمندانی که با داده‌های ناسا کار می‌کنند اجازه می‌دهد تا شعاع ستاره را اندازه‌گیری کنند، که به نوبه خود دقیق‌ترین اطلاعات را در مورد ماده عجیب درون آن به ما می‌دهد.

درون یک ستاره نوترونی چیست؟

ماده موجود در هسته ستارگان نوترونی حتی از هسته یک اتم نیز چگالتر است. به عنوان متراکم ترین شکل پایدار ماده در جهان، تا حد خود خرد شده و در آستانه فروپاشی است. سیاه چاله.

درک چگونگی رفتار ماده در این شرایط یک آزمون کلیدی برای نظریه های فیزیک بنیادی ما است.

از ناسا ماموریت کاوشگر ترکیب داخلی ستاره نوترونی (NICER). سعی می کند رازهای این موضوع شدید را حل کند.

NICER یک تلسکوپ پرتو ایکس در ایستگاه فضایی بین المللی است. این پرتوهای ایکس را که از نقاط داغ روی سطح ستاره‌های نوترونی می‌آیند، شناسایی می‌کند، جایی که دما می‌تواند به میلیون‌ها درجه برسد.

دانشمندان زمان و انرژی این پرتوهای ایکس را برای نقشه‌برداری از نقاط داغ و تعیین جرم و اندازه ستاره‌های نوترونی مدل‌سازی می‌کنند.

دانستن اینکه اندازه ستاره های نوترونی چگونه با جرم آنها مرتبط است، “معادله حالت” ماده را در هسته آنها آشکار می کند. این به دانشمندان می گوید که ستاره نوترونی چقدر نرم یا سخت – چقدر «تراکم پذیر» است، و بنابراین از چه چیزی ساخته شده است.

یک معادله حالت ملایم‌تر نشان می‌دهد که نوترون‌های هسته به یک سوپ عجیب و غریب از ذرات کوچک‌تر تجزیه می‌شوند. یک معادله وضعیت دشوارتر می تواند به این معنی باشد که نوترون ها مقاومت می کنند و در نتیجه ستاره های نوترونی بزرگتر به وجود می آیند.

معادله حالت همچنین تعیین می کند که ستاره های نوترونی چگونه و چه زمانی از هم جدا شوند. برخورد.

حل معمای ستاره نوترونی همسایه

یکی از اهداف اصلی NICER یک ستاره نوترونی به نام PSR J0437-4715 است که نزدیک ترین و درخشان ترین میلی ثانیه است. تپاختر.

یک تپ اختر یک ستاره نوترونی است که پرتوهایی از امواج رادیویی ساطع می کند که هر بار که ستاره نوترونی می چرخد ​​آنها را به صورت یک پالس مشاهده می کنیم.

این تپ اختر خاص 173 بار در ثانیه (به سرعت یک مخلوط کن) می چرخد. ما نزدیک به 30 سال است که آن را تماشا می کنیم موریانگتلسکوپ رادیویی پارکز CSIRO در نیو ساوت ولز.

تیمی که با داده های NICER کار می کرد با چالشی برای این تپ اختر مواجه شد. پرتوهای ایکس که از یک کهکشان نزدیک می آیند، مدل سازی دقیق نقاط داغ روی سطح ستاره نوترونی را دشوار می کند.

خوشبختانه ما توانستیم از امواج رادیویی برای اندازه گیری مستقل جرم تپ اختر استفاده کنیم. بدون این اطلاعات مهم، تیم جرم درست را بازیابی نمی کرد.

وزن یک ستاره نوترونی مربوط به زمان است

برای اندازه گیری جرم ستاره نوترونی، ما به اثری که توسط نظریه انیشتین توصیف شده است، تکیه می کنیم. نسبیت عامبه نام تاخیر شاپیرو.

اجسام عظیم و متراکم مانند تپ اخترها – و در این مورد ستاره همدمش، یک کوتوله سفید – فضا و زمان را می پیچد. تپ اختر و این همراه هر 5.74 روز یک بار به دور یکدیگر می چرخند.

همانطور که پالس های تپ اختر از طریق فضا-زمان فشرده در اطراف کوتوله سفید به ما می رسد، میکروثانیه ها به تأخیر می افتند.

اندازه گیری چنین تاخیرهای میکروثانیه ای با Murriyang از تپ اخترهایی مانند PSR J0437-4715 آسان است. این تپ اختر و سایر تپ اخترهای میلی ثانیه ای مانند آن به طور مرتب توسط آن رصد می شوند آرایه زمانی Parkes Pulsar پروژه ای که از این تپ اخترها برای شناسایی استفاده می کند امواج گرانشی.

از آنجایی که PSR J0437-4715 نسبتاً به ما نزدیک است، به نظر می‌رسد که مدار آن از منظر ما با حرکت زمین به دور خورشید کمی تکان می‌خورد. این لرزش جزئیات بیشتری در مورد هندسه مدار به ما می دهد. ما از این به همراه تاخیر شاپیرو برای یافتن جرم‌های همدم کوتوله سفید و تپ‌اختر استفاده می‌کنیم.

جرم و اندازه PSR J0437-4715

محاسبه کردیم که جرم این تپ اختر معمولی یک ستاره نوترونی است، 1.42 برابر جرم خورشید ما. این مهم است زیرا اندازه این تپ اختر باید به اندازه یک ستاره نوترونی معمولی باشد.

سپس دانشمندانی که با داده های NICER کار می کردند، توانستند هندسه نقاط داغ پرتو ایکس را تعیین کنند و آن را محاسبه کنند. شعاع ستاره نوترونی 11.4 کیلومتر است. این نتایج می دهد دقیق ترین نقطه مرجع هنوز برای معادله حالت ستاره نوترونی در چگالی متوسط ​​کشف شده است.

تصویر جدید ما اکنون نرم ترین و سخت ترین معادلات حالت ستاره نوترونی را حذف می کند. دانشمندان به رمزگشایی دقیقاً به معنای وجود ماده عجیب و غریب در هسته داخلی ستارگان نوترونی ادامه خواهند داد.

تئوری ها نشان می دهد که این ماده ممکن است شامل کوارک هایی باشد که دارند از خانه های معمولی خود فرار کردند درون ذرات بزرگتر یا ذرات نادری که به نام هایپرون ها.

این داده‌های جدید به یک مدل در حال ظهور از فضای داخلی ستاره‌های نوترونی اضافه می‌کنند که توسط آن نیز مطلع شده‌اند مشاهدات امواج گرانشی ناشی از برخورد ستارگان نوترونی و یک انفجار مرتبط به نام کیلونووا.

موریانگ سابقه طولانی در پشتیبانی از ماموریت های ناسا دارد و به عنوان گیرنده اصلی فیلم برای بیشتر مسیرهای پیاده روی ماه آپولو 11.

ما اکنون از این تلسکوپ نمادین برای “حدس زدن” فیزیک درونی ستاره‌های نوترونی استفاده کرده‌ایم و درک بنیادی خود از جهان را ارتقا می‌دهیم.

دانیل ریوردانپژوهشگر فوق دکتری در همگام سازی تپ اخترها و امواج گرانشی، دانشگاه صنعتی سوئینبرن

این مقاله توسط گفتگو تحت مجوز Creative Commons. ادامه مطلب مقاله اصلی.