Forskere har oppnådd sin beste måling ennå på størrelsen og innholdet i en nøytronstjerne, et ultratett objekt som inneholder den merkeligste og sjeldneste materien i universet.
Denne målingen kan føre til en bedre forståelse av naturens byggesteiner - protoner, nøytroner og deres bestanddeler, når de blir komprimert inne i nøytronstjernen til en tetthet billioner ganger større enn på jorden.
Dr. Tod Strohmayer fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md., Og hans kollega, Adam Villarreal, en doktorgradsstudent ved University of Arizona, presenterer disse resultatene i dag under en nettbasert pressekonferanse i New Orleans på møtet til High Energy Astrophysics Division of the American Astronomical Society.
De sa at deres beste estimat for radiusen til en nøytronstjerne er 11 miles (11,5 kilometer), pluss eller minus en spasertur rundt det franske kvarteret. Massen ser ut til å være 1,75 ganger solen, mer massiv enn noen teorier forutsier. De foretok sine målinger med NASAs Rossi X-ray Timing Explorer og arkiverte røntgendata
Det lenge etterspurte masseradius-forholdet definerer nøytronstjernens indre tetthet og trykkforhold, den såkalte tilstandsligningen. Og dette avgjør på sin side hvilken type materie som kan eksistere i en nøytronstjerne. Innholdet tilbyr en avgjørende test for teorier som beskriver den grunnleggende arten av materie og energi og styrken av kjernefysiske interaksjoner.
"Vi vil virkelig ha hendene på tingene i sentrum av en nøytronstjerne," sa Strohmayer. "Men siden vi ikke kan gjøre det, handler dette om den neste beste tingen. En nøytronstjerne er et kosmisk laboratorium og gir den eneste muligheten til å se effektene av materie komprimert i en slik grad. ”
En nøytronstjerne er kjernenes rester av en stjerne som en gang er større enn solen. Interiøret inneholder materie under krefter som kanskje fantes i øyeblikket med Big Bang, men som ikke kan dupliseres på Jorden. Nøytronstjernen i dagens kunngjøring er en del av et binært stjernesystem med navnet EXO 0748-676, som ligger i stjernebildet Volans, eller Flying Fish, omtrent 30 000 lysår unna, synlig i sørlige himmel med et stort teleskop i hagen.
I dette systemet stuper gass fra en "normal" følgesvanger på nøytronstjernen, tiltrukket av tyngdekraften. Dette utløser termonukleære eksplosjoner på nøytronstjernes overflate som lyser opp i regionen. Slike utbrudd avslører ofte sentrifugeringshastigheten til nøytronstjernen gjennom en flimring i røntgenlyset som sendes ut, kalt en burst-oscillasjon. (Se elementene 1 - 6 for en kunstners konsept om denne prosessen. En film og en detaljert overskrift finner du i den blå kolonnen til høyre.)
Forskerne oppdaget en svingningsfrekvens på 45-Hertz burst, som tilsvarer en nøytronstjernespinnhastighet på 45 ganger per sekund. Dette er et rolig tempo for nøytronstjerner, som ofte ses å snurre over 300 ganger i sekundet.
Forskerne kapitaliserte deretter på observasjoner av EXO 0748-676 med Det europeiske romfartsorganets XMM-Newton-satellitt fra 2002, ledet av Dr. Jean Cottam fra NASA Goddard. Cottams team hadde oppdaget spektrallinjer som ble avgitt av varm gass, på samme måte som linjene i et kardiogram. Disse linjene hadde to funksjoner. Først ble de Doppler forskjøvet. Dette betyr at energien som ble oppdaget var et gjennomsnitt av lyset som snurret rundt nøytronstjernen, beveget seg bort fra oss og deretter mot oss. For det andre var linjene gravitasjonelt rødskiftet. Dette betyr at tyngdekraften trakk på lyset da den prøvde å unnslippe regionen og stjele litt av energien.
Strohmayer og Villarreal bestemte at frekvensen av 45-hertz og de observerte linjebreddene fra Doppler-skifting stemmer overens med en nøytronstjerne radius mellom 9,5 og 15 kilometer, med det beste estimatet på 11,5 kilometer. Forholdet mellom burst-frekvens, Doppler-skifting og radius er at hastigheten på gass som virvler rundt stjernens overflate avhenger av stjernens radius og dens spinnhastighet. I hovedsak tilsvarer en raskere spinn en bredere spektrallinje (en teknikk som ligner på hvordan en statstropper kan oppdage fartsbiler).
Cottam teams gravitasjonelle rødskiftemåling tilbød det første målet på et masseradiusforhold, om enn uten kunnskap om masse og radius. Dette fordi graden av rødskifting (tyngdekraft) avhenger av massen og radiusen til nøytronstjernen. Noen forskere hadde stilt spørsmål ved denne målingen, for spektrallinjene som ble oppdaget virket for smale. De nye resultatene styrker tyngdekraften rødforskyvning av Cottam-teamets spektrale linjer (og dermed masseradius-forholdet) fordi en saktere spinnende stjerne lett kan produsere så relativt smale linjer.
Så, enda mer trygg på masseradius-forholdet og nå som kjenner radius, kunne forskerne beregne nøytronstjernens masse. Verdien var mellom 1,5 og 2,3 solmasser, med det beste estimatet til 1,75 solmasser.
Resultatet støtter teorien om at materie i nøytronstjernen i EXO 0748-676 er pakket så tett at nesten alle protoner og elektroner blir presset inn i nøytroner, som virvler rundt som en overflødig væske, en væske som strømmer uten friksjon. Likevel er ikke saken så tett pakket at kvarker blir frigjort, en såkalt kvarkstjerne.
"Resultatene våre begynner virkelig å sette presset på nøytronstjernes ligning av staten," sa Villareal. ”Det ser ut som statlige ligninger som forutsier at veldig store eller veldig små stjerner nesten er utelukket. Kanskje mer spennende er det at vi nå har en observasjonsteknikk som skal tillate oss å måle masseradius-forholdet i andre nøytronstjerner. ”
Et foreslått NASA-oppdrag kalt Constellation X-ray Observatory ville ha muligheten til å gjøre slike målinger, men med mye større presisjon, for et antall nøytronstjernersystemer.
Originalkilde: NASA News Release
