Universet kan inneholde ekstremt tette og eksotiske hypotetiske kosmiske objekter kjent som rare kvarkstjerner. Mens astrofysikere fortsetter å diskutere kvarkstjerners eksistens, har et team av fysikere funnet ut at restene av en nøytronstjernesammenslåing observert i 2019 har akkurat den rette massen til å være en av disse merkelige kvarkstjernene.
Når stjerner dør, deres kjerner komprimeres i en så utrolig grad at de blir helt nye typer objekter. For eksempel, når solen endelig flimrer fremvil det etterlate seg en hvit dverg, en kule på planetstørrelse med høyt komprimerte karbon- og oksygenatomer. Når enda større stjerner eksploderer i katastrofale eksplosjoner kalles supernovaer, etterlater de nøytronstjerner. Disse utrolig tette gjenstandene er bare noen få kilometer på tvers, men kan veie noen få ganger solens masse. Som navnet antyder, er de nesten utelukkende laget av rene nøytroner, noe som gjør dem i det vesentlige kilometer brede atomkjerner.
Nøytronstjerner er så eksotiske at fysikere ennå ikke helt forstår dem. Selv om vi kan observere hvordan nøytronstjerner samhandler med omgivelsene sine og gjøre noen gode gjetninger om hva som skjer med all nøytronstoffet nær overflaten, forblir sammensetningen av kjernene deres unnvikende.
I slekt: Er kvarkstjerner mulige?
Problemet er at nøytroner ikke er helt fundamentale partikler. Selv om de bunter seg sammen med protoner for å danne atomkjerner, er nøytronene i seg selv laget av enda mindre partikler kalt kvarker.
Det er seks typer, eller “smaker”, av kvarker: opp, ned, topp, bunn, merkelig og sjarm. Et nøytron er sammensatt av to nedkvarker og en oppkvark. Hvis du klemmer for mange atomer sammen, går de tilbake til en gigantisk ball av nøytroner. Så hvis du klemmer for mange nøytroner sammen, går de tilbake til en gigantisk kule med kvarker?
Merkelige saker
Svarene varierer fra «kanskje» til «det er komplisert». Problemet er at kvarker virkelig ikke liker å være alene. De sterk atomkraft, som binder kvarker i en kjerne, vokser faktisk med avstand. Hvis du prøver å trekke to kvarker sammen, øker kraften som trekker dem tilbake. Etter hvert blir den attraktive energien mellom dem så stor at nye partikler dukker opp i vakuumet, inkludert nye kvarker som mer enn gjerne binder seg med de separerte.
Hvis du skulle lage et makroskopisk objekt av opp- eller ned-kvarkene som utgjør et nøytron, ville det objektet eksplodere veldig raskt og veldig voldsomt.
Men det kan være en sti som bruker merkelige kvarker. I seg selv er rare kvarker ganske tunge, og når de blir stående alene, forfaller de raskt til de lettere opp- og ned-kvarkene. Når et stort antall kvarker grupperer seg, kan imidlertid fysikken endre seg. Fysikere har funnet ut at merkelige kvarker kan binde seg med opp- og nedkvarker for å danne trillinger, kjent som “strangelets”, som kan være stabile – men bare under ekstremt trykk. Som trykket ett trinn over en nøytronstjerne.
Kosmiske kollisjoner
Hvis du komprimerer en nøytronstjerne for mye, mister alle nøytronene sin evne til å støtte stjernen, og det hele imploderer for å lage en svart hull. Men det kan være et trinn i klem mellom der, hvor trykket er høyt nok til å løse opp nøytronene og danne en merkelig kvarkstjerne, men ikke intens nok for gravitasjon å ta fullstendig kontroll.
Astronomer forventer ikke å finne mange rare stjerner i universet; disse objektene må være tyngre enn nøytronstjerner, men lettere enn sorte hull, og det er ikke mye slingringsmonn der. Og fordi vi ikke helt forstår fysikken til strangelets, vet vi ikke engang de nøyaktige massene der rare stjerner kan eksistere.
Men nylig så et team av astronomer på GW190425, en gravitasjonsbølgehendelse utløst av sammenslåingen av to nøytronstjerner observert i 2019. Sammen med enorme mengder gravitasjonsbølger produserer sammenslående nøytronstjerner en kilonova, en eksplosjon som er kraftigere enn en vanlig nova, men svakere enn en supernova. Selv om astronomer ikke var i stand til å fange en elektromagnetisk signal fra denne hendelsen, så de en lignende i 2017 som produserte både gravitasjonsbølger og stråling.
Når to nøytronstjerner smelter sammen, er det noen få alternativer tilgjengelig avhengig av massene deres, spinnene deres og kollisjonsvinkelen. Ifølge teoretiske beregninger kan nøytronstjernene utslette hverandre, danne et sort hull eller lage en litt mer massiv nøytronstjerne.
Og ifølge den nye forskningen, som var nylig lagt ut i preprint-databasen arXivkan disse kosmiske kollisjonene lage en merkelig kvarkstjerne.
Teamet regnet ut at massen til objektet som ble etterlatt etter fusjonen i 2019 var et sted mellom 3,11 og 3,54 solmasser. Basert på vår beste forståelse av strukturen til nøytronstjerner, er det bare litt for tungt, og det burde ha kollapset til et svart hull. Men det faller også innenfor masseområdet tillatt av modeller av disse merkelige stjernenes strukturer.
Det er fortsatt for tidlig å si om GW190425 er vår første observasjon av en sjelden merkelig kvarkstjerne, men fremtidige observasjoner (og mer teoretisk arbeid) kan hjelpe astronomer med å finne en av disse eksotiske skapningene.
Følg oss på Twitter @Spacedotcom og på Facebook.