Najnovija saznanja o neutronskim zvezdama: Gornja granica mase ispitana u novoj studiji

Foto: Shutterstock.com

Kada zvezde ostare i umru njihova masa određuje njihov konačni sudbinu. Mnoge supermasivne zvezde imaju budućnost kao neutronske zvezde. Pitanje je koliko masivne mogu postati njihove neutronke zvezde? To je pitanje koje je profesor Fan Yizhong i njegov tim sa Opservatorije Purpurna planina u Kini odlučili da istraže, piše Universe today.

Ispostavilo se da nerotirajuća neutronska zvezda ne može biti mnogo veća od 2,25 Sunčeve mase. Ako bi bila masivnija, pretvorila bi se u crnu rupu. Da bi to utvrdio tim sa Purpurne planine istražio je takozvani Openhajmerov limit. To je kritična gravitaciona masa (Mtov) masivnog objekta. Ako neutronska zvezda ostane ispod Openhajmerovog limita, ostaje u tom stanju. Ako postane masivnija, tada se urušava u crnu rupu.

Preporučujemo

Razumevanje fizike neutronke zvezde

Dakle, zašto odrediti gornju masu neutronke zvezde? Openhajmerov limit za ove objekte ima neke implikacije kako za astrofiziku tako i za nuklearnu fiziku. U osnovi, ukazuje na to da su gusta tela sa masama većim od 2,25 Sunčeve mase verovatno ono što naučnici nazivaju "najlakšim" crnim rupama. Ti objekti verovatno bi postojali u opsegu od 2,5 do 3 Sunčeve mase.

Sve zavisi od toga kako zvezde stare, kao i od njihove početne mase. Na primer, naše Sunce je žuti patuljak manje mase i trebaće mu više od 10 milijardi godina da prođe kroz ceo životni ciklus. Sada ima oko 4.5 milijardi godina. Dok stari, Sunce će konzumirati teže elemente u svom jezgru. Ovaj proces će dovesti do zagrevanja zvezde, što pokreće ekspanziju. Tada će Sunce postati crveni džin i odbaciti svoje spoljne slojeve za nekih pet milijardi godina. Na kraju će se skupiti i postati beli patuljak. Taj mali objekat će imati manju masu od Sunca, iako neki beli patuljci mogu biti malo masivniji.

Kako se formira neutronka zvezda

Zvezde mnogo masivnije od Sunca prolaze kroz isti ciklus, ali završavaju svoje živote u supernova eksplozijama. Ono što ostane postaje crna rupa. Ili, ako posle eksplozije nema dovoljno mase, ostatak postaje neutronska zvezda. Dakle, postoji tanka linija između neutronske zvezde i crne rupe. Ta linija je Openhajmerov limit.

Zvezde između 8 i 25 Sunčevih masa proizvode neutronske zvezde. Nešto što se zove "neutronski degeneracioni pritisak" drži te čudne ostatke zajedno. Preostalo jezgro zvezde komprimuje se nakon eksplozije supernove. Ali, neutroni i protoni u atomskim jezgrima u jezgru zvezde se sabijaju dok to više ne mogu učiniti i ceo ovaj sistem ulazi u čudnu ravnotežu. U tom trenutku rezultirajuća neutronska zvezda se približava Openhajmerovom limitu. Ako objekat dobije (ili ima) još više mase, to ga stavlja preko granice, što rezultira crnom rupom.

Doterivanje Openhajmerovog limita

Naučni tim profesora Fana je vredno radio na otkrivanju precizne vrednosti Openhajmerovog limita. Za to su koristili podatke iz brojnih specijalizovanih opservatorija sa vrhunskim instrumentima poput LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), VIRGO detektor gravitacionih talasa, kao i NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer Mission) sa međunarodne svemirske stanice. Svi oni otkrivaju posledice sudara neutronskih zvezda i tragove crnih rupa poreklom od neutronskih zvezda. NICER specijalno traži veličinu neutronskih zvezda na osnovu X-zračenja. Kada su veličina i masa neutronske zvezde poznati, astronomi mogu bolje proučavati nastanak neutronskih zvezda kao i egzotične materije koje one poseduju.

Tim je uključio informacije o maksimalnom masenom rezu (tj. koji je najviši nivo mase koji neutronsko zvezdano telo može imati) koje su zaključene iz distribucije ovih objekata. Koristili su modele jednačine stanja u svom radu. Jednačina stanja zapravo posmatra stanje materije u neutronskoj zvezdi (i crnoj rupi), a modeli opisuju parametre pod kojima ona postoji (uključujući pritisak, zapreminu i temperaturu). Rezultat njihovog rada ne samo da daje gornju granicu mase neutronskih zvezda (~2,5 solarnih masa), već otkriva da bi takva neutronka zvezda imala prečnik od oko 11,9 kilometara.

Zanimljivo je videti kolika je tačnost u ovim merenjima i modelima zasnovanim na pravim podacima prikupljenim posmatranjem gravitacionih talasa i X-zračenja. Fan i njegov tim sugerišu u objavljenom radu da su objekti sa masom između 2,5 i tri solarne mase verovatno najlakše crne rupe.

Dalje implikacije

Rad takođe ima neke prilično interesantne implikacije za kosmologiju, posebno za Hablovu konstantu. To je vrednost koja se dodeljuje brzini kojom se kosmos širi. Ona je negde oko 70 kilometara u sekundi po megaparseku (plus ili minus 2,2 km/sec/Mpc). Brojevi zavise od toga koje metode astronomi koriste za njihovo izračunavanje.

Rad tima sugeriše da bi maseni prag za neutronske zvezde detektovane gravitacionim talasima trebao da se poklopi sa Mtov. To se ne menja sa crvenim pomakom. Maseni prag Openhajmerovog Limita povezan je i sa crvenim pomakom objekta i njegovim crvenim pomakom. To je predviđeno kosmološkim modelom i udaljenošću sjaja. To pruža novi način testiranja osnovnog kosmološkog modela univerzuma. Trenutni model počinje sa Velikim praskom, inflacijom i ekspanzijom. Takođe uključuje distribuciju svih materijala (uključujući tamnu i barijonsku materijeru), i uključuje doprinos tamne energije.

(Telegraf Nauka / Universe Today)