Gwiazdy neutronowe to najgęstsze obiekty we Wszechświecie, większe od Słońca pod masą, ale skondensowane w stosunkowo niewielkiej kuli.
Jak duże są gwiazdy neutronowe? Wcześniejsze szacunki promienia wahały się od ośmiu do szesnastu kilometrów. Astrofizycy z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie (Niemcy) byli w stanie określić rozmiar gwiazd neutronowych z dokładnością do 1,5 kilometra przy użyciu wyrafinowanego podejścia statystycznego opartego na pomiarze fal grawitacyjnych. Raport naukowców został przedstawiony w Physical Review Letters.
Gwiazdy neutronowe to najgęstsze obiekty we Wszechświecie, o masie większej niż Słońce, ale skondensowane w stosunkowo małej kuli. Od ponad 40 lat wymiarowanie gwiazd neutronowych jest Świętym Graalem fizyki jądrowej, którego odkrycie dostarczy ważnych informacji o podstawowym zachowaniu się gęstości jądrowych.
Dane dotyczące wykrywania fal grawitacyjnych pochodzących z połączenia się gwiazd neutronowych (GW170817) stanowią ważny wkład w rozwiązanie tej zagadki. Pod koniec 2017 roku profesor Luciano Rezzolla wraz ze swoimi uczniami Eliasem Mostem i Lucasem Weichiem wykorzystali je już do odpowiedzi na długotrwałe pytanie dotyczące maksymalnej masy, jaką mogą mieć gwiazdy neutronowe, zanim zapadną się w czarną dziurę. Po pierwszym ważnym wyniku ten sam zespół, z pomocą profesora Jurgena Schaffnera-Belicha, przystąpił do ustalenia bardziej rygorystycznych ograniczeń dotyczących wielkości gwiazd neutronowych.
Artystyczne przedstawienie zderzenia gwiazd neutronowych, które wygenerowały fale grawitacyjne. Źródło: Carnegie Institution for Science.
Najważniejsze jest to, że równanie stanu opisujące materię wewnątrz gwiazd neutronowych jest nieznane. Fizycy wybrali metody statystyczne, aby określić wielkość gwiazd neutronowych w wąskich granicach. Obliczyli ponad dwa miliardy modeli teoretycznych, rozwiązując dla nich równanie Einsteina, i połączyli ten duży zbiór danych z ograniczeniami wykrywania fal grawitacyjnych GW170817.
W rezultacie naukowcy określili promień typowej gwiazdy neutronowej z różnicą 1,5 kilometra: waha się od 12 do 13,5 kilometra, co można dalej doprecyzować poprzez przyszłe wykrycie fal grawitacyjnych.
„Jednak problem mógł mieć więcej niż jedno rozwiązanie”, komentuje Jurgen Schaffner-Belich. Jest możliwe, że przy ultra-wysokich gęstościach substancja dramatycznie zmienia swoje właściwości i zbliża się do tak zwanego „przejścia fazowego”. Jest to podobne do tego, co dzieje się z wodą, gdy zamarza i przechodzi z cieczy w ciało stałe. W przypadku gwiazd neutronowych przejście to rzekomo przekształca zwykłą materię w materię „kwarkową”, tworząc gwiazdy, które będą miały taką samą masę jak ich „bliźniak”, gwiazda neutronowa, ale są znacznie mniejsze, a zatem jeszcze bardziej zwarte.
Film promocyjny:
Chociaż nie ma dowodów na ich istnienie, mogą być wiarygodnym rozwiązaniem, a naukowcy z Frankfurtu wzięli pod uwagę tę możliwość, pomimo dodatkowych komplikacji. Wysiłek się opłacił: podwójne gwiazdy były statystycznie mało prawdopodobne. Jest to ważne odkrycie, które pozwala teraz naukowcom potencjalnie wykluczyć istnienie tych bardzo zwartych obiektów. Przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych pokażą, czy gwiazdy neutronowe mają egzotyczne bliźnięta.