Odkryto jedną z najbardziej masywnych gwiazd neutronowych

Wykorzystując pionierskie metody, badacze z Astronomy and Astrophysics Group of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) oraz z Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) znaleźli gwiazdę neutronową o masie około 2,3 mas Słońca – jedną z najbardziej masywnych, jakie dotąd wykryto. Badanie otwiera nową ścieżkę wiedzy na wielu polach astrofizyki i fizyki jądrowej.

Gwiazdy neutronowe (zwane także pulsarami) to gwiezdne pozostałości, które osiągnęły kres swojego ewolucyjnego życia: są wynikiem śmierci gwiazdy o masie ok. 10 do 30 mas Słońca. Pomimo niewielkich rozmiarów (ok. 20 km średnicy), gwiazdy neutronowe mają masę większą, niż Słońce, w związku z czym są wyjątkowo gęste.

Naukowcy zastosowali nowatorską metodę pomiaru masy jednej z najcięższych gwiazd neutronowych znanych do tej pory. Odkryta w 2011 roku i nazwana PSR J2215 + 5135, z masą ok. 2,3 masy Słońca, jest jedną z najbardziej masywnych z ponad 2000 gwiazd neutronowych znanych do tej pory. Chociaż w badaniu opublikowanym w 2011 r. podano dowody na istnienie gwiazdy neutronowej o masie 2,4 masy Słońca, najmasywniejsze gwiazdy neutronowe potwierdzone przez naukowców a zgłoszone w 2010 i 2013 roku, miały masy 2 Słońc.

Badanie prowadził Manuel Linares, badacz z Astronomy and Astrophysics Group (GAA), we współpracy z astronomami Tariq Shahbaz i Jorge Casares z IAC. Naukowcy wykorzystali dane uzyskane z Gran Telescopio Canarias (GTC), największego teleskopu optycznego i podczerwonego na świecie, Teleskopu Williama Herschela (WHT), Teleskopu Isaaca Newtona (ING) i teleskopu IAC-80 w połączeniu z dynamicznymi modelami układów podwójnych gwiazd.

Pionierskie metody pomiaru

Zespół opracował bardziej dokładną, niż do tej pory stosowano, metodę pomiaru masy gwiazd neutronowych w ciasnych układach podwójnych. PSR J2215+5135 jest częścią układu podwójnego, w którym dwie gwiazdy krążą wokół wspólnego środka masy: „normalna” gwiazda (jak Słońce) „towarzyszy” gwieździe neutronowej. Towarzysz jest silnie napromieniowywany przez gwiazdę neutronową.

Im większa gwiazda neutronowa, tym szybciej towarzysz porusza się po orbicie. Nowa metoda wykorzystuje spektralne linie wodoru i magnezu do pomiaru prędkości, z jaką porusza się gwiazda towarzysząca. Pozwoliło to naukowcom po raz pierwszy zmierzyć z obu stron prędkość gwiazdy towarzyszącej (strona napromieniowana oraz zacieniona) i pokazać, że gwiazda neutronowa może mieć ponad 2 masy Słońca.

Nowa metoda może być także zastosowana do reszty tej rosnącej populacji gwiazd neutronowych. W ciągu ostatnich 10 lat teleskop promieni gamma Fermi-LAT odkrył dziesiątki pulsarów podobnych do PSR J2215+5135. Zasadniczo metoda ta może być również stosowana do pomiaru masy czarnych dziur i białych karłów, gdy zostaną odnalezione w podobnych układach podwójnych, w których napromieniowanie ma znaczenie.

Gęstsze, niż jądro atomowe

Możliwość określenia maksymalnej masy gwiazdy neutronowej ma bardzo ważne konsekwencje dla wielu dziedzin astrofizyki, a także dla fizyki jądrowej. Interakcje między nukleonami (protonami i neutronami, które tworzą jądro atomu) w wysokich gęstościach są jedną z największych zagadek w dzisiejszej fizyki. Gwiazdy neutronowe są naturalnym laboratorium do badań najgęstszych i najbardziej egzotycznych stanów materii, jakie możemy sobie wyobrazić.

Wyniki projektu sugerują również, że aby osiągnąć masę 2,3 mas Słońca, odpychanie między cząsteczkami w jądrze gwiazdy neutronowej musi być wystarczająco silne. To wskazywałoby, że mało prawdopodobne jest znalezienie wolnych kwarków lub innych egzotycznych form materii w centrum gwiazdy neutronowej. 

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Researchers from the UPC and the IAC discover one of the most massive neutron stars

Źródło: Instituto de Astrofísica de Canarias

Na zdjęciu: Przedstawiony na rysunku masywny pulsar w układzie podwójnym PSR J2215+5135 rozgrzewa wnętrze swojego gwiezdnego towarzysza. Źródło: Gabriel Pérez, SMM (IAC)