Nytt verktøy lar forskere se inn i nøytronstjerner

Tenk deg å ta en stjerne som er dobbelt så stor som solen og knuse den til størrelsen på Manhattan. Resultatet ville være en nøytronstjerne – en av de tetteste gjenstandene som finnes hvor som helst i universet, og overskrider tettheten til alt materiale som finnes naturlig på jorden med en faktor på titalls billioner. Nøytronstjerner er ekstraordinære astrofysiske objekter i seg selv, men deres ekstreme tettheter kan også tillate dem å fungere som laboratorier for å studere grunnleggende spørsmål innen kjernefysikk, under forhold som aldri kunne reproduseres på jorden.

På grunn av disse eksotiske forholdene, forstår forskerne fortsatt ikke nøyaktig hva nøytronstjerner selv er laget av, deres såkalte “statelikning” (EoS). Å bestemme dette er et hovedmål for moderne astrofysikkforskning. En ny brikke i puslespillet, som begrenser spekteret av muligheter, har blitt oppdaget av et par forskere ved IAS: Carolyn Raithel, John N. Bahcall-stipendiat ved School of Natural Sciences; og Elias Most, medlem av skolen og John A. Wheeler-stipendiat ved Princeton University. Arbeidene deres ble nylig publisert i The Astrophysical Journal Letters.

Ideelt sett vil forskere gjerne kikke inn i disse eksotiske objektene, men de er for små og fjerne til å bli avbildet med standard teleskoper. Forskere stoler i stedet på indirekte egenskaper som de kan måle – som massen og radiusen til en nøytronstjerne – for å beregne EoS, på samme måte som man kan bruke lengden på to sider av en rettvinklet trekant for å beregne hypotenusen. Imidlertid er radiusen til en nøytronstjerne svært vanskelig å måle nøyaktig. Et lovende alternativ for fremtidige observasjoner er å i stedet bruke en mengde kalt “peak spectral frekvens” (eller f.₂) på sin plass.

Men hvordan er f₂ målt? Kollisjoner mellom nøytronstjerner, som er styrt av lovene i Einsteins relativitetsteori, fører til sterke utbrudd av gravitasjonsbølgeutslipp. I 2017 målte forskere direkte slike utslipp for første gang. “I det minste i prinsippet kan toppspektralfrekvensen beregnes fra gravitasjonsbølgesignalet som sendes ut av den slingrende resten av to sammenslåtte nøytronstjerner,” sier Most.

Det var tidligere forventet at f₂ ville være en rimelig proxy for radius, siden – inntil nå – forskerne mente at det eksisterte en direkte, eller «kvasi-universell» korrespondanse mellom dem. Raithel og Most har imidlertid vist at dette ikke alltid er sant. De har vist at å bestemme EoS ikke er som å løse et enkelt hypotenusproblem. I stedet er det mer beslektet med å beregne den lengste siden i en uregelmessig trekant, hvor man også trenger en tredje informasjon: vinkelen mellom de to kortere sidene. For Raithel og Most er denne tredje informasjonen “hellingen av masse-radius-relasjonen”, som koder for informasjon om EoS ved høyere tettheter (og dermed mer ekstreme forhold) enn radius alene.

Dette nye funnet vil gjøre det mulig for forskere som jobber med neste generasjon gravitasjonsbølgeobservatorier (etterfølgerne til LIGO som er i drift) bedre å utnytte dataene som er oppnådd etter sammenslåinger av nøytronstjerner. I følge Raithel kan disse dataene avsløre de grunnleggende komponentene i nøytronstjernematerie. “Noen teoretiske spådommer tyder på at innenfor nøytronstjernekjerner kan faseoverganger løse opp nøytronene til subatomære partikler kalt kvarker,” sa Raithel. “Dette vil bety at stjernene inneholder et hav av fri kvarkstoff i deres indre. Vårt arbeid kan hjelpe morgendagens forskere med å finne ut om det er slik faseoverganger faktisk oppstår.”

---

---