Et relativt lite, tett objekt dekket i en sky av sine egne eksploderte rester bare noen få tusen lysår unna, trosser vår forståelse av stjernefysikk.
Etter alt å dømme ser det ut til å være en nøytronstjerne, selv om det er en uvanlig en på det. Med bare 77 prosent av solens masse, er det den laveste massen som noen gang er målt for et objekt av sitt slag.
Tidligereden letteste nøytronstjernen som noen gang er målt, klokket inn til 1,17 ganger solens masse.
Denne nyere oppdagelsen er ikke bare mindre, den er betydelig lavere enn den minste nøytronstjernemassen som er forutsagt av teori. Dette antyder enten at det er et lite gap i vår forståelse av disse ultratette objektene … eller det vi ser på er ikke en nøytronstjerne i det hele tatt, men et særegent objekt som aldri før er sett kjent som en “rar” stjerne.
Nøytronstjerner er blant de tetteste objektene i hele universet. De er det som gjenstår etter at en massiv stjerne mellom omtrent 8 og 30 ganger solens masse har nådd slutten av livet. Når stjernen går tom for materiale for å smelte sammen i kjernen, går den til supernova, og skyter ut de ytre lagene av materiale ut i verdensrommet.
Ikke lenger støttet av det ytre fusjonstrykket, kollapser kjernen i seg selv for å danne et objekt så tett, atomkjerner klemmer seg sammen og elektroner blir tvunget til å bli fortrolige med protoner lenge nok til at de kan forvandles til nøytroner.
De fleste av disse kompakte objektene er rundt 1,4 ganger solens masse, selv om teorien sier at de kan variere fra noe så massivt som rundt 2,3 solmasser, ned til bare 1,1 solmasser. Alt dette pakket inne i en kule akkurat pakket inn i en kule bare 20 kilometer (12 miles) eller så på tvers, noe som gjør at hver teskje med nøytronstjernemateriale veier et sted mellom 10 millioner og flere milliarder tonn.
Stjerner med høyere og lavere masse enn nøytronstjerner kan også bli til tette objekter. Tyngre stjerner blir til sorte hull. Lettere stjerner blir til hvite dverger – mindre tett enn nøytronstjerner, med en øvre massegrense på 1,4 solmasser, men fortsatt ganske kompakt. Dette er vår egen sols skjebne.
Nøytronstjernen som er gjenstand for denne studien er i sentrum av en supernova-rest kalt HESS J1731-347som tidligere var beregnet til å sitte mer enn 10.000 lysår unna. En av vanskelighetene med å studere nøytronstjerner ligger imidlertid i dårlig begrensede avstandsmålinger. Uten en nøyaktig avstand er det vanskelig å få nøyaktige målinger av de andre egenskapene til en stjerne.
Nylig ble en andre, optisk lyssterk stjerne oppdaget på lur i HESS J1731-347. Fra dette, ved hjelp av data fra Gaia-kartleggingsundersøkelsen, var et team av astronomer ledet av Victor Doroshenko ved Eberhard Karls Universitetet i Tübingen i Tyskland i stand til å beregne avstanden til HESS J1731-347 på nytt, og fant ut at den er mye nærmere enn antatt, på rundt 8.150 lysår unna.
Dette betyr at tidligere estimater av nøytronstjernens andre egenskaper måtte foredles, inkludert massen. Kombinert med observasjoner av røntgenlyset som sendes ut av nøytronstjernen (uoverensstemmende med røntgenstråling fra en hvit dverg), klarte Doroshenko og kollegene hans å avgrense dens radius til 10,4 kilometer, og massen til en absolutt ufattelig lav solenergi på 0,77. masser.
Dette betyr at det kanskje ikke er en nøytronstjerne slik vi kjenner den, men et hypotetisk objekt som ennå ikke er positivt identifisert i naturen.
“Vårt masseestimat gjør det sentrale kompakte objektet i HESS J1731-347 til den letteste nøytronstjernen som er kjent til dags dato, og potensielt et mer eksotisk objekt – det vil si en “rar stjerne”-kandidat.” skriver forskerne i papiret sitt.
Ifølge teorien ligner en merkelig stjerne mye på en nøytronstjerne, men inneholder en større andel av fundamentale partikler kalt rare kvarker. Kvarker er grunnleggende subatomære partikler som kombineres for å danne sammensatte partikler som protoner og nøytroner. Quarks kommer i seks forskjellige typer, eller smaker, kalt opp, ned, sjarm, merkelig, topp og bunn. Protoner og nøytroner er laget av opp- og nedkvarker.
Teorien antyder at i det ekstremt komprimerte miljøet inne i en nøytronstjerne brytes subatomære partikler ned til kvarkene deres. Under denne modellen er merkelige stjerner laget av materie som består av like proporsjoner av opp-, ned- og merkelige kvarker.
Rare stjerner bør dannes under masser som er store nok til å virkelig sette presset på, men siden regelboken for nøytronstjerner går ut av vinduet når nok kvarker blir involvert, er det egentlig ingen nedre grense heller. Det betyr at vi ikke kan utelukke muligheten for at denne nøytronstjernen faktisk er en merkelig stjerne.
Dette ville vært ekstremt kult; fysikere har lett etter kvarkmaterie og merkelig kvarkmaterie i flere tiår. Men selv om en merkelig stjerne absolutt er mulig, er det større sannsynlighet for at det vi ser på er en nøytronstjerne – og det er også ekstremt kult.
“De oppnådde begrensningene for masse og radius er fortsatt helt i samsvar med en standard nøytronstjernetolkning og kan brukes til å forbedre astrofysiske begrensninger på ligningen av tilstanden til kald tett materie under denne antagelsen.” skriver forskerne.
“En slik lett nøytronstjerne, uavhengig av den antatte indre sammensetningen, ser ut til å være et veldig spennende objekt fra et astrofysisk perspektiv.”
Det er utfordrende å finne ut hvordan en så lett nøytronstjerne kunne ha blitt dannet under våre nåværende modeller. Så, uansett hva den er laget av, vil den tette gjenstanden i hjertet av HESS J1731-347 ha noe å lære oss om det mystiske etterlivet til massive stjerner.
Teamets forskning er publisert i Natur astronomi.