Jak masywne mogą być gwiazdy neutronowe?

Od czasu ich odkrycia w latach ‘60 ubiegłego stulecia, naukowcy próbowali odpowiedzieć na ważne pytanie: jak masywne mogą być gwiazdy neutronowe? W przeciwieństwie do czarnych dziur gwiazdy te nie mogą zyskać masy samoistnie. Po przekroczeniu pewnej granicy, nie ma w przyrodzie siły fizycznej, która mogłaby przeciwstawić się ich ogromnej sile grawitacyjnej. Po raz pierwszy astrofizykom z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie udało się wyliczyć ścisłą górną granicę maksymalnej masy gwiazd neutronowych.

Przy promieniu około dwunastu kilometrów i masie, która może być dwa razy większa od Słońca, gwiazdy neutronowe należą do najgęstszych obiektów we Wszechświecie, tworząc pola grawitacyjne porównywalne z czarnymi dziurami. Podczas gdy większość gwiazd neutronowych ma masę 1,4 razy większą od Słońca, cięższe przypadki także są znane, takie jak na przykład pulsar PSR J0348+0432 z 2,01 masy Słońca.

Gęstość tych gwiazd jest ogromna, tak jakby całe Himalaje zostały ściśnięte w kuflu piwa. Są jednak wskazania, że gwiazda neutronowa o maksymalnej masie zapadłaby się w czarną dziurę, gdyby dodano nawet pojedynczy atom.

Razem ze swoimi uczniami Eliasem Most i Lukasem Weih, profesor Luciano Rezzolla, fizyk, starszy członek we Frankfurckim Instytucie Badań Zaawansowanych (FIAS) oraz profesor astrofizyki teoretycznej na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie, rozwiązał problem, który pozostawał bez odpowiedzi przez 40 lat: z dokładnością do kilku procent, maksymalna masa nierotujących gwiazd neutronowych nie może przekroczyć 2,16 masy Słońca.

Podstawą tego wyniku było „uniwersalne relacje” opracowane we Frankfurcie kilka lat temu. Istnienie „uniwersalnych relacji” oznacza, że praktycznie wszystkie gwiazdy neutronowe „wyglądają podobnie”, co oznacza, że ich właściwości można wyrazić w kategoriach wartości bezwymiarowych. Badacze połączyli te „uniwersalne relacje” z danymi dotyczącymi sygnałów fal grawitacyjnych i następującego po nich promieniowania elektromagnetycznego (kilonowa) uzyskanych podczas obserwacji w zeszłym roku dwóch łączących się gwiazd neutronowych w ramach eksperymentu LIGO. Upraszcza to ogromnie obliczenia, ponieważ uzależnia je od równania stanu. Równanie to jest modelem teoretycznym opisującym gęstą materię wewnątrz gwiazdy, która dostarcza informacji o jej składzie na różnych gęstościach. Taka uniwersalna relacja odgrywa więc istotną rolę w definiowaniu nowej masy maksymalnej.

Wynik jest dobrym przykładem interakcji między badaniami teoretycznymi i eksperymentalnymi. „Piękno badań teoretycznych polega na tym, że można je przewidywać. Teoria jednak desperacko potrzebuje eksperymentów, aby zawęzić niektóre z jej niepewności. Z tego powodu niezwykłe jest to, że obserwacja pojedynczego połączenia się dwóch gwiazd neutronowych, które nastąpiło w ciągu milionów lat świetlnych, w powiązaniu z uniwersalnymi relacjami odkrytymi dzięki naszej pracy teoretycznej, pozwoliła nam rozwiązać zagadkę, która dostarczała tylu spekulacji w przeszłości” – mówi profesor Rezzolla.

Wyniki opublikowano w The Astrophysical Journal. Zaledwie kilka dni później grupy badawcze z USA i Japonii potwierdziły wyniki, mimo że do tej pory stosowały różne i niezależne podejścia.

Oczekuje się, że astronomia fal grawitacyjnych zaobserwuje więcej takich zdarzeń w niedalekiej przyszłości, zarówno pod względem sygnałów fal grawitacyjnych, jak i w bardziej tradycyjnych zakresach częstotliwości. To jeszcze bardziej zmniejszy niepewność dotyczącą maksymalnej masy i doprowadzi do lepszego zrozumienia tego, co dzieje się w ekstremalnych warunkach. Będzie to symulowane w nowoczesnych akceleratorach cząstek, na przykład CERN w Szwajcarii lub w zakładzie FAIR w Niemczech. 

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
How massive can neutron stars be?

Źródło: Uniwersytet Goethego

Na zdjęciu: Emisja fal grawitacyjnych z zapadającej się gwiazdy. Źródło: Goethe University