Hvordan kan vi forstå miljøer som ikke kan replikeres på jorden? Det er en utfordring astrofysikere står overfor hele tiden. I noen tilfeller handler det i stor grad om å finne ut hvor godt forstått fysikk gjelder for ekstreme forhold og deretter sammenligne utdataene fra disse ligningene med observasjoner. Men et bemerkelsesverdig unntak fra det er en nøytronstjerne, der de relevante ligningene blir fullstendig uoverkommelige, og observasjoner ikke gir mange detaljer.
Så selv om vi er ganske sikre på at det er et lag med nesten rene nøytroner nær overflaten av disse kroppene, er vi veldig usikre på hva som kan eksistere dypere i deres indre.
Denne uken publiserer Nature en studie som prøver å flytte oss nærmere en forståelse. Det gir oss ikke noe svar – det er fortsatt mye usikkerhet. Men det er en flott mulighet til å se på prosessen med hvordan forskere kan ta data fra et stort spekter av kilder og begynne å gruble over disse usikkerhetene.
Hva er etter nøytroner?
Stoffet som danner nøytronstjerner starter som ioniserte atomer nær kjernen av en massiv stjerne. Når stjernens fusjonsreaksjoner slutter å produsere nok energi til å motvirke tyngdekraften, trekker denne saken seg sammen, og opplever stadig større press. Knusekraften er nok til å eliminere grensene mellom atomkjerner, og skape en gigantisk suppe av protoner og nøytroner. Til slutt blir til og med elektronene i regionen tvunget inn i mange av protonene, og konverterer dem til nøytroner.
Dette gir til slutt en kraft til å presse tilbake mot tyngdekraftens knusende kraft. Kvantemekanikk forhindrer nøytroner i å okkupere den samme energitilstanden, i umiddelbar nærhet, og dette hindrer nøytronene i å komme nærmere og blokkerer dermed kollapsen i et sort hull. Men det er mulig at det er en mellomtilstand mellom en klump med nøytroner og et sort hull, en der grensene mellom nøytronene begynner å brytes ned, noe som resulterer i rare kombinasjoner av kvarkene deres.
Denne typen interaksjoner styres av den sterke kraften, som binder kvarker sammen til protoner og nøytroner og deretter binder disse protonene og nøytronene til atomkjerner. Dessverre er beregninger som involverer den sterke kraften ekstremt kostbare, beregningsmessig. Som et resultat er det bare ikke mulig å få dem til å jobbe med den typen energier og tettheter som finnes i en nøytronstjerne.
Men dette betyr ikke at vi står fast. Vi har tilnærminger til den sterke kraften som kan beregnes ved relevante energier. Og mens de etterlater oss med betydelige usikkerheter, er det mulig å bruke en rekke empiriske bevis for å begrense disse usikkerhetene.
Hvordan se på en nøytronstjerne
Nøytronstjerner er bemerkelsesverdige for å være utrolig kompakte for massen, og klemmer mer enn en sols masse inne i et objekt som bare er omtrent 20 km i diameter. Den nærmeste vi vet om er hundrevis av lysår unna, og de fleste er mye, mye lenger. Så det ser ut til at det er umulig å gjøre for mye i veien for å avbilde disse objektene, ikke sant?
Ikke helt. Mange nøytronstjerner er i systemer med et annet objekt – i noen tilfeller en nøytronstjerne. Måten disse to objektene påvirker hverandres baner på kan fortelle oss mye om massen til en nøytronstjerne. NASA har også et dedikert nøytronstjerneobservatorium knyttet til den internasjonale romstasjonen. NICER (nøytronstjernen Interior Composition Explorer) bruker en rekke røntgenteleskoper for å få detaljerte bilder av nøytronstjerner mens de roterer. Dette har tillatt den å gjøre ting som å spore oppførselen til individuelle hot spots på overflaten av stjernen.
Mer kritisk for dette arbeidet kan NICER oppdage forvrengning av rom-tid rundt store nøytronstjerner og bruk det til å generere et rimelig nøyaktig estimat av størrelsen. Hvis det er kombinert med et solid estimat av massen til nøytronstjernen, så er det mulig å finne ut tettheten og sammenligne den med den typen tetthet du forventer av noe som er rene nøytroner.
Men vi er ikke bare begrenset til fotoner når det gjelder å vurdere sammensetningen av nøytronstjerner. De siste årene har sammenslåinger av nøytronstjerner har blitt oppdaget via gravitasjonsbølger, og de nøyaktige detaljene i dette signalet avhenger av egenskapene til stjernene som smelter sammen. Så disse sammenslåingene kan også bidra til å utelukke noen potensielle nøytronstjernemodeller.