Ile waży gwiazda neutronowa? Astronomowie mogli odkryć jej maksymalną masę
Nowe badanie może przybliżać odpowiedź na pytanie, ile waży gwiazda neutronowa, zanim przekształci się w czarną dziurę. Astronomowie wskazują, że granica stabilności takich obiektów może znajdować się w okolicach 2,2–2,3 masy Słońca.
Ile waży gwiazda neutronowa? Naukowcy zawęzili możliwy zakres
Jak wskazują astronomowie, fizyka gwiazd neutronowych jest czymś niesamowitym – coś o masie dwóch Słońc może zostać skompresowane do wielkości względnie niewielkiej kuli, a każda łyżeczka jej materii ważyłaby miliardy ton. Jednak wciąż istnieje wiele niewiadomych dotyczących tych szczególnych obiektów Jednym z najważniejszych nierozwiązanych pytań pozostaje to, gdzie przebiega granica między powstaniem gwiazdy neutronowej a czarnej dziury po śmierci masywnej gwiazdy.
W ramach nowego badania naukowcy z HUN-REN Wigner Research Center for Physics starali się rozwiązać tę tajemnicę i odkryli, że najbardziej prawdopodobna maksymalna masa gwiazdy neutronowej może wynosić od 2,2 do 2,3 masy Słońca. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.
Obliczenia pozwoliły lepiej poznać niezwykłe kosmiczne obiekty
Astronomowie wykorzystali wiele obliczeń i założeń. Fizyka rządząca gwiazdami neutronowymi opiera się na zasadzie zwanej równaniem stanu, która jest zbiorem reguł opisujących, jak materia zachowuje się pod tak ekstremalnym ciśnieniem. Ponieważ niemożliwe jest pobranie próbki gwiazdy neutronowej do badań, ten „zbiór reguł” definiowany jest głównie przez modele. Naukowcy wykorzystali dwa z nich, o nieco różnych właściwościach, aby przeprowadzić swoje obliczenia.
Pierwszy z nich, SFHo, definiuje gwiazdę neutronową złożoną z „miększej”, bardziej ściśliwej materii jądrowej (nuclear matter). W założeniu jest ona bardziej elastyczna i mniej sztywna niż jej „twardszy” odpowiednik. Model DD2 opisuje natomiast materię gwiazdy neutronowej jako bardziej wytrzymałą i odporną. Został on opracowany głównie do wykorzystania w „większych” gwiazdach, choć teoretycznie, zdaniem badaczy, oba modele można stosować dla gwiazd neutronowych dowolnej wielkości.
Aby jednak upewnić się, że prędkość dźwięku w tej materii nie przekroczy prędkości światła, a tym samym nie naruszy praw fizyki, astronomowie ręcznie wymusili zgodność swojego modelu z modelami wykorzystującymi perturbacyjną chromodynamikę kwantową (perturbative Quantum Chromodynamics – pQCD).
Po opracowaniu modelu naukowcy porównali go z różnymi danymi i sygnałami pozyskanymi dzięki różnym teleskopom. Następnie zaktualizowali go o informacje dotyczące „ściśliwości” pochodzące z detekcji fal grawitacyjnych GW170817 – pierwszego uchwyconego zderzenia dwóch gwiazd neutronowych.
Okazało się, że po uwzględnieniu wszystkich danych oba modele zbiegały się niemal dokładnie do tej samej wartości – pomiędzy 2,2 a 2,3 masy Słońca. Nadal pozostawało jednak pytanie o rzeczywisty rozmiar gwiazd neutronowych. Ich fizyczne wymiary różniły się nieco w zależności od wybranego modelu początkowego, ale ogólny konsensus wskazał, że ich promień wynosił około 12 km.
Astronomowie natrafili na niepasujące obiekty
Jednak, jak wskazują badacze, zaobserwowano kilka niezwykłych obiektów, ponieważ były zbyt duże, by według tych kryteriów uznać je za gwiazdy neutronowe, ale jednocześnie nie wydawały się czarnymi dziurami. Przykładem jest obiekt GW190814 o masie 2,59 masy Słońca.
Jeśli założyć, że jest on gwiazdą neutronową, to zdaniem astronomów całkowicie podważyłoby to model DD2, ponieważ materia podtrzymująca obiekt tej wielkości nie byłaby wystarczająco „odkształcalna”, by spełnić wymagania wynikające z danych zebranych podczas zderzenia GW170817. Wyniki sugerują jednak, że GW190814, a także podobny obiekt HESS J1731-347, mogą być w rzeczywistości czarnymi dziurami, a nie gwiazdami neutronowymi.
Badanie pomogło lepiej poznać gwiazdy neutronowe
Dzięki określeniu masy i dobrym oszacowaniom fizycznych rozmiarów nowe badanie pomaga lepiej poznać jedne z najbardziej niezwykłych obiektów we Wszechświecie – nawet jeśli nigdy nie będzie możliwe zbadanie ich wnętrza.
Emil Gołoś
