Neutronstjärnor är otroligt kompakta föremål som kan bildas efter en stjärnas död. Men lite är känt om deras interiörer. Sedan deras upptäckt har forskare försökt dechiffrera deras struktur.
Eftersom de knappt kan dupliceras på jorden i ett laboratorium, är det största hindret att simulera de svåra omständigheterna inuti neutronstjärnor. Som ett resultat finns det många modeller där olika attribut, såsom temperatur och densitet, definieras med hjälp av så kallade tillståndsekvationer. Dessa ekvationer försöker karakterisera strukturen hos neutronstjärnor från stjärnytan till den inre kärnan.
Nu fysiker vid Goethe University Frankfurt har lyckats lägga till andra avgörande pusselbitar. De har utvecklat mer än en miljon tillståndsekvationer som tillfredsställer de begränsningar som ställs av data som erhållits från teoretisk kärnfysik å ena sidan och av astronomiska observationer å andra sidan.
När de utvärderade tillståndsekvationerna fann fysiker något överraskande: "Ljus" neutronstjärnor (med massor mindre än cirka 1.7 solmassor) verkar ha en mjuk mantel och en styv kärna, medan "tunga" neutronstjärnor (med massor som är större än 1.7 solmassor) istället har en styv mantel och en mjuk kärna.
Prof. Luciano Rezzolla sa, "Det här resultatet är mycket intressant eftersom det ger oss ett direkt mått på hur komprimerbart centrum av neutronstjärnor kan vara. Neutronstjärnor beter sig lite som chokladpraliner: ljusa stjärnor liknar dem choklad med en hasselnöt i mitten omgiven av mjuk choklad, medan tunga stjärnor kan betraktas mer som choklad där ett hårt lager innehåller en mjuk fyllning."
Ljudets hastighet är avgörande för denna insikt. Detta kvantitativa mått, som förlitar sig på hur stel eller flexibel saken är, beskriver den hastighet med vilken ljudvågor röra sig inuti ett föremål. På jorden finns oljeavlagringar, och den planetens inre utforskas med hjälp av ljudets hastighet.
Forskarna kunde också identifiera ytterligare, tidigare oupptäckta egenskaper hos neutronstjärnor genom att modellera tillståndsekvationerna. Till exempel har de sannolikt en radie på bara 12 kilometer, oavsett deras massa. De har samma omkrets som Frankfurt.
Författare Dr Christian Ecker förklarar: "Vår omfattande numeriska studie tillåter oss inte bara att göra förutsägelser för neutronstjärnornas radier och maximala massor utan också att sätta nya gränser för deras deformerbarhet i binära system, det vill säga hur kraftigt de förvränger varandra genom sina gravitationsfält. Dessa insikter kommer att bli särskilt viktiga för att peka ut den okända tillståndsekvationen med framtida astronomiska observationer och detektioner av gravitationsvågor från sammanslagna stjärnor."
Tidskriftsreferenser:
- Sinan Altiparmak, Christian Ecker, Luciano Rezzolla: On the Sound Speed in Neutron Stars. The Astrophysical Journal Letters (2022) DOI: 10.3847/2041-8213/ac9b2a
- Christian Ecker & Luciano Rezzolla: En allmän, skaloberoende beskrivning av ljudhastigheten i neutronstjärnor. The Astrophysical Journal Letters (2022) DOI: 10.3847/2041-8213/ac8674
