Το Squishy Neutron Star Setback μειώνει τις ελπίδες εξωτικής ύλης

Στο γνωστό σύμπαν, δεν υπάρχει τίποτα σαν ένα αστέρι νετρονίων. Γεννημένα από σουπερνόβα, αυτά τα αντικείμενα περιέχουν μια μάζα μεγέθους αστεριού σε χώρο μεγέθους πόλης. Αυτό το μοναδικό χαρακτηριστικό οδήγησε τους επιστήμονες να πιστέψουν ότι κάποια ακραία φυσική μπορεί να λάβει χώρα στο εσωτερικό τους — ίσως ακόμη και η διάλυση των ίδιων των νετρονίων σε ένα πιο μαλακό σκουπιδότοπο γνωστό ως ύλη κουάρκ.

Ωστόσο, δεν μπορούμε να κοιτάξουμε μέσα σε αστέρια νετρονίων, επομένως πρέπει να βασιστούμε στα χαρακτηριστικά που μπορούμε να μετρήσουμε, δηλαδή τη μάζα και το μέγεθός τους. Η ύλη κουάρκ θα πρέπει να συμπιέζεται περισσότερο από τη βαρύτητα του άστρου από ό,τι τα άθικτα νετρόνια, επομένως, εάν τα αστέρια νετρονίων είναι γεμάτα πυρηνικά σκουπίδια, θα πρέπει όχι μόνο να είναι μικρά, αλλά να γίνονται μικρότερα καθώς αυξάνονται οι μάζες τους.

Δυστυχώς, είναι εξαιρετικά δύσκολο να μετρηθεί το πλάτος ενός αντικειμένου πλάτους μιλίων που απέχει χιλιάδες έτη φωτός μακριά. Οι συνδυασμένες μετρήσεις της μάζας και του μεγέθους των αστέρων νετρονίων είναι, για να χρησιμοποιήσουμε μια πολύ αγαπημένη αναλογία, ένα «ιερό δισκοπότηρο για τη φυσική των άστρων νετρονίων», δήλωσε η Micaela Oertel, θεωρητική φυσικός στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας.

Αλλά στη συνέχεια, το 2019, ο Εσωτερικός Ερευνητής Σύνθεσης Αστέρα Νετρονίων της NASA (NICER), ένα τηλεσκόπιο ακτίνων Χ που είχε εγκατασταθεί στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό δύο χρόνια πριν, μέτρησε το μέγεθος ενός αστέρα νετρονίων 1,4 ηλιακής μάζας που ονομάζεται J0030, το οποίο είναι 1.000 φως- χρόνια από τη Γη, να είναι περίπου 26 χιλιόμετρα πλάτος. Τώρα, χρησιμοποιώντας δεδομένα NICER, δύο ανεξάρτητες ομάδες πραγματοποίησαν την ίδια ανάλυση για ένα άλλο αστέρι νετρονίων, το J0740, που βρίσκεται 3.000 έτη φωτός από τη Γη.

Τα αποτελέσματα είναι εκπληκτικά. Με 2,1 ηλιακές μάζες, το J0740 είναι το πιο μαζικό γνωστό αστέρι νετρονίων — περίπου 50% πιο μαζικό από το J0030. Ωστόσο, οι δύο είναι ουσιαστικά το ίδιο μέγεθος - οι δύο ομάδες φτάνουν στα 24,8 ή 27,4 χιλιόμετρα για την πρώτη, με αβεβαιότητες πολλών χιλιομέτρων. Τα αποτελέσματα, τα οποία δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, δημοσιεύτηκαν στον διαδικτυακό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org νωρίτερα αυτόν τον μήνα.

Το εύρημα υπονοεί ότι τα αστέρια νετρονίων μπορεί να είναι περίεργα, αλλά όχι τόσο περίεργα ώστε να εξαφανίζουν τα ίδια τα νετρόνια. «Μπορεί να υποδηλώνει ότι αυτές οι πολύ εξωτικές καταστάσεις της ύλης μπορεί να μην πραγματοποιούνται στον πυρήνα ενός αστέρα νετρονίων», δήλωσε ο Jorge Piekarewicz, θεωρητικός φυσικός στο State University της Φλόριντα.

Η Αναζήτηση για Squish

Τα αστέρια νετρονίων σχηματίζονται όταν ένα γιγάντιο αστέρι οκτώ έως 20 φορές τη μάζα του ήλιου μας εξαντλεί τα καύσιμα του στο τέλος της ζωής του. Χωρίς εξωτερική πίεση για να σπρώξει τη βαρύτητα του αστεριού, καταρρέει. Τα εξωτερικά κελύφη εκρήγνυνται προς τα έξω ως σουπερνόβα, αφήνοντας πίσω μόνο τον πυκνό πυρήνα - το αστέρι νετρονίων - συσκευασμένο σε όγκο στο μέγεθος του Μανχάταν.

Κάτω από ένα λεπτό φλοιό από ιόντα και ηλεκτρόνια βρίσκεται ο πυρήνας του αστέρα νετρονίων, που αντιπροσωπεύει έως και το 99% της συνολικής του σύνθεσης. Εδώ, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια συνθλίβονται τόσο σφιχτά μεταξύ τους που σχηματίζουν μια θάλασσα κυρίως νετρονίων. Σπρώξτε αυτές τις πυκνότητες ακόμη περισσότερο προς τον εσωτερικό πυρήνα, ωστόσο, και μπορεί να συμβεί κάτι ακόμα πιο περίεργο. «Αντί για μεμονωμένα νετρόνια και πρωτόνια, έχετε μια θάλασσα από κουάρκ, τα συστατικά των νετρονίων και των πρωτονίων», δήλωσε ο Κόουλ Μίλερ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ και ο κύριος συγγραφέας μιας από τις νέες εργασίες. "Δεν είναι σαφές πού συμβαίνει αυτό."

Μέχρι τώρα, ορισμένα μοντέλα προέβλεπαν ότι αστέρια νετρονίων με επαρκή μάζα - ίσως ακόμη και J0740 σε 2,1 ηλιακή μάζα - θα δημιουργούσαν πυκνότητες τόσο τεράστιες που θα χώριζαν τα νετρόνια και τα πρωτόνια στα κουάρκ που τους συνθέτουν. Καθώς τα σπλάχνα τους γνώρισαν μια μετάβαση από την κανονική ύλη σε μια σχετικά «συμπιεζόμενη» ύλη κουάρκ, «η ακτίνα θα πρέπει να γίνει μικρότερη», είπε η Άννα Γουότς, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και συνεπικεφαλής στο άλλο χαρτί.

Από την άλλη, κάποια μοντέλα προέβλεψαν το αντίθετο. Η μετάβαση φάσης - αν συμβεί καθόλου - μπορεί να μην συμβεί παρά κοντά στο σημείο όπου τα αστέρια νετρονίων καταρρέουν σε μαύρες τρύπες. (Η ακριβής διαχωριστική γραμμή δεν είναι γνωστή ακριβώς, αλλά πιστεύεται ότι είναι γύρω στις 3 ηλιακές μάζες.) «Το ερώτημα είναι», είπε ο Watts, «αν υπάρχει κάτι περίεργο που σχηματίζεται σε υψηλή πυκνότητα, πότε ξεκινά;»

Εάν αστέρια νετρονίων όπως το J0740 υποβλήθηκαν σε αυτή τη μετάβαση φάσης και περιείχαν περισσότερη «συμπιεζόμενη» ύλη κουάρκ, θα έπρεπε να έχει μετρηθεί από 9 έως 16 χιλιόμετρα, είπε ο Watts. Ωστόσο, ακόμη και αν ληφθούν υπόψη οι αβεβαιότητες, οι ερευνητές έχουν καθορίσει ένα «αρκετά ισχυρό κατώτερο όριο» πλάτους 22 χιλιομέτρων, είπε ο Miller.

Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι τα αστέρια νετρονίων σχηματίζουν ύλη κουάρκ σε κάποιο σημείο πέρα ​​από 2,1 ηλιακές μάζες, ή ίσως ποτέ. Αντίθετα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπορεί απλώς να επιμένουν ακόμη και στις πιο ακραίες κλίμακες. "Φαίνεται σίγουρα ότι τα πιο σκληροτράχηλα μοντέλα αποκλείονται", είπε ο Watts.

Star Spot Somersaults

Το NICER μπορεί να μετρήσει τις ακτίνες των άστρων νετρονίων λόγω  μιας ιδιορρυθμίας των ίδιων των άστρων νετρονίων. Καθώς περιστρέφονται γρήγορα, καυτά σημεία στην επιφάνειά τους —μαγνητικοί πόλοι όπως αυτοί που βρίσκονται στη Γη, αλλά πολύ μεγεθυνμένοι— περιστρέφονται μαζί τους, αναβοσβήνοντας ακτίνες Χ. Λόγω της έντονης βαρύτητας των άστρων νετρονίων, ακόμη και οι λάμψεις που συμβαίνουν στην μακρινή πλευρά του άστρου θα λυγίσουν από τη βαρύτητα και θα μας στείλουν το δρόμο. Το NICER μετρά με ακρίβεια τους χρόνους άφιξης αυτών των λάμψεων ακτίνων Χ, γεγονός που επιτρέπει στους επιστήμονες να ανακατασκευάσουν το μέγεθος του αστέρα νετρονίων.

Ένα ξεχωριστό πρόσφατο αποτέλεσμα από το πείραμα ακτίνας μολύβδου (PREx) στο Jefferson Lab στη Βιρτζίνια φαίνεται να υποστηρίζει τα μετασχηματιστικά ευρήματα του NICER. Πυροδοτώντας μια δέσμη ηλεκτρονίων στον μόλυβδο, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το λεγόμενο «δέρμα» νετρονίων - η ποσότητα των διαστημικών νετρονίων που καταλαμβάνουν ένα άτομο μολύβδου - ήταν μεγαλύτερη από το δέρμα του πρωτονίου. Αυτή η διαφορά υποδηλώνει ότι τα αστέρια νετρονίων θα πρέπει να είναι έως και 2 χιλιόμετρα μεγαλύτερα από τις προηγούμενες προβλέψεις. "Αυτό είναι απολύτως συνεπές με το NICER", είπε ο Piekarewicz, μέλος της ομάδας PREx. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο Physical Review Letters .

Τα αποτελέσματα του NICER βρίσκονται ακόμη σε πρώιμο στάδιο. Θα πρέπει να ελεγχθούν και να τελειοποιηθούν οι αβεβαιότητες. Η ακτίνα ενός τρίτου άστρου νετρονίων βρίσκεται στη διαδικασία μέτρησης, κάτι που θα μπορούσε να παίξει μεγάλο ρόλο στην επιβεβαίωση ή στην απόρριψη των ευρημάτων. «Αναμένουμε ότι θα είμαστε σε θέση να ανακοινώσουμε [το μέγεθός του] αργότερα αυτό το έτος», δήλωσε ο Zaven Arzoumanian, επικεφαλής της επιστήμης στο NICER στο Goddard Space Flight Center της NASA. "Και μετά ίσως μερικά ακόμα πέρα ​​από αυτό."

Αλλά μέχρι στιγμής, τα αποτελέσματα δείχνουν κάτι ενδιαφέρον. Ακόμη και τα αστέρια νετρονίων, οι πιο πυκνές συλλογές ύλης στο σύμπαν, μπορεί να μην είναι αρκετά πυκνά για να παράγουν κάποιες μορφές εξωτικής ύλης. «Αυτό είναι το πρώτο ισχυρό στοιχείο ενάντια σε μια δραματική μετάβαση φάσης στον πυρήνα των άστρων νετρονίων», είπε ο Piekarewicz. Και αν δεν συμβαίνει σε αστέρια νετρονίων, μπορεί να συμβεί οπουδήποτε αλλού; "Φοβάμαι ότι όχι."