Materie in de harten van neutronensterren - dichte overblijfselen van ontplofte massieve sterren - neemt de meest extreme vorm aan die we kunnen meten. Nutsvoorzieningen, dankzij gegevens van NASA's Neutronenster Interior Composition Explorer (NICER), een röntgentelescoop op het internationale ruimtestation, wetenschappers hebben ontdekt dat deze mysterieuze materie minder samendrukbaar is dan sommige natuurkundigen hadden voorspeld.

De bevinding is gebaseerd op NICER's observaties van PSR J0740+6620 (kortweg J0740), de meest massieve bekende neutronenster, die meer dan 3 ligt, 600 lichtjaar van ons vandaan in het noordelijke sterrenbeeld Camelopardalis. J0740 bevindt zich in een dubbelstersysteem met een witte dwerg, het verkoelende overblijfsel van een zonachtige ster, en roteert 346 keer per seconde. Eerdere waarnemingen plaatsen de massa van de neutronenster op ongeveer 2,1 keer die van de zon.

"We zijn omringd door normale materie, de dingen van onze dagelijkse ervaring, maar er is veel dat we niet weten over hoe materie zich gedraagt, en hoe het wordt getransformeerd, onder extreme omstandigheden, " zei Zaven Arzoumanian, de NICER-wetenschapsleider bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Door de afmetingen en massa's van neutronensterren te meten met NICER, we onderzoeken materie die op het punt staat te imploderen in een zwart gat. Zodra dat gebeurt, we kunnen materie niet langer bestuderen omdat het verborgen is door de waarnemingshorizon van het zwarte gat."

Arzoumanian en leden van het NICER-team presenteerden zaterdag hun bevindingen, 17 april tijdens een virtuele bijeenkomst van de American Physical Society, en artikelen die de bevindingen en hun implicaties beschrijven, worden nu wetenschappelijk beoordeeld.

Aan het einde van zijn leven, een ster die vele malen zwaarder is dan de zon heeft geen brandstof meer in zijn kern, bezwijkt onder zijn eigen gewicht, en barst in een supernova. De zwaarste van deze exploderende sterren laten zwarte gaten achter. Lichtere geboorte neutronensterren, die meer massa dan de zon inpakken in een bol die ongeveer zo breed is als het Manhattan-eiland in New York City lang is.

Wetenschappers denken dat neutronensterren gelaagd zijn. Aan de oppervlakte, een dunne atmosfeer van waterstof- of heliumatomen rust op een stevige korst van zwaardere atomen. In de korst, de snelle toename van de druk stript elektronen van atoomkernen. dieper naar beneden, in de buitenste kern, de kernen splitsen zich in neutronen en protonen. De immense druk verplettert protonen en elektronen om een ​​zee van voornamelijk neutronen te vormen die uiteindelijk samengepakt worden tot tweemaal de dichtheid van een atoomkern.

Maar welke vorm neemt materie aan in de innerlijke kern? Zijn het neutronen helemaal naar beneden, of breken de neutronen in hun eigen samenstellende delen, quarks genoemd?

Natuurkundigen stellen deze vraag al sinds Walter Baade en Fritz Zwicky in 1934 het bestaan ​​van neutronensterren voorstelden. Om deze vraag te beantwoorden, astronomen hebben nauwkeurige metingen nodig van zowel de afmetingen als de massa's van deze objecten. Dit stelt hen in staat om de relatie tussen druk en dichtheid in de binnenste kern van de ster te berekenen en de ultieme samendrukbaarheid van de materie te evalueren.

In traditionele modellen van een typische neutronenster, een met ongeveer 1,4 keer de massa van de zon, natuurkundigen verwachten dat de binnenste kern grotendeels gevuld is met neutronen. De lagere dichtheid zorgt ervoor dat neutronen ver genoeg uit elkaar blijven om intact te blijven, en deze innerlijke stijfheid resulteert in een grotere ster.

In massievere neutronensterren zoals J0740, de dichtheid van de binnenkern is veel hoger, de neutronen dichter bij elkaar verpletteren. Het is onduidelijk of neutronen onder deze omstandigheden intact kunnen blijven of dat ze in plaats daarvan uiteenvallen in quarks. Theoretici vermoeden dat ze bezwijken onder de druk, maar er blijven veel vragen over de details. Om antwoorden te krijgen, wetenschappers hebben een nauwkeurige maatmeting nodig voor een massieve neutronenster. Een kleinere ster zou gunstig zijn voor scenario's waarin quarks vrij rondlopen op de diepste diepten, omdat de kleinere deeltjes dichter op elkaar kunnen worden gepakt. Een grotere ster zou wijzen op de aanwezigheid van complexere vormen van materie.

Om de precieze metingen te krijgen die nodig zijn, NICER observeert snel roterende neutronensterren, pulsars genaamd, ontdekt in 1967 door Jocelyn Bell Burnell. Helder, Op de oppervlakken van deze objecten vormen zich röntgenstralen-emitterende hotspots. Terwijl pulsars draaien, hun vlekken draaien in en uit het zicht als de stralen van een vuurtoren, produceren regelmatige variaties in hun röntgenhelderheid.

Maar pulsars zijn ook zo dicht dat hun zwaartekracht de ruimte-tijd vervormt, als een bowlingbal die op een trampoline ligt. Deze vervorming is sterk genoeg om ervoor te zorgen dat licht van de andere kant van de ster - licht dat we anders niet zouden kunnen detecteren - naar ons wordt omgeleid, waardoor de pulsar groter lijkt dan hij in werkelijkheid is. Dezelfde massa in een kleiner pakket zorgt voor meer vervorming. Dit effect kan zo intens zijn dat het kan voorkomen dat de hotspots volledig verdwijnen als ze rond de pulsar draaien.

Wetenschappers kunnen profiteren van deze effecten omdat NICER de aankomst van elke röntgenfoto meet tot beter dan 100 nanoseconden. Door te volgen hoe de röntgenhelderheid van de pulsar varieert tijdens het draaien, wetenschappers kunnen reconstrueren hoeveel het ruimte-tijd vervormt. Omdat ze de massa kennen, zij kunnen deze vervorming vertalen in een maat.

Twee teams gebruikten verschillende benaderingen om de maat van de J0740 te modelleren. Een groep onder leiding van Thomas Riley en Anna Watts - een postdoctoraal onderzoeker en hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Amsterdam, respectievelijk - schat dat de pulsar ongeveer 24,8 kilometer breed is. Een team onder leiding van Cole Miller, een professor in de astronomie aan de Universiteit van Maryland, Collegepark, vond dat J0740 ongeveer 27,4 kilometer breed was. De twee resultaten overlappen elkaar aanzienlijk binnen hun onzekerheden, variërend van 14,2 tot 17 mijl (22,8 tot 27,4 kilometer) en 15,2 tot 20,2 mijl (24,4 tot 32,6 kilometer), respectievelijk.

Naast NICER-gegevens, beide groepen omvatten ook röntgenwaarnemingen van de XMM-Newton-satelliet van de European Space Agency die behulpzaam waren bij het verklaren van achtergrondgeluid. De massa van J0740 werd eerder bepaald door radiometingen uitgevoerd door wetenschappers van het Noord-Amerikaanse Nanohertz Observatory for Gravitational Waves en Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment-samenwerkingen.

in 2019, De teams van Riley en Miller gebruikten NICER-gegevens om zowel de grootte als de massa van pulsar J0030+0451 (of J0030) te schatten. Ze stelden vast dat het object ongeveer 1,4 keer de massa van de zon was en 26 kilometer breed was.

"Onze nieuwe metingen van J0740 laten zien dat, hoewel hij bijna 50% massiever is dan J0030, het is in wezen dezelfde maat, Watts zei. "Dat daagt enkele van de meer samendrukbare modellen van neutronensterkernen uit, inclusief versies waarbij het interieur slechts een zee van quarks is. De grootte en massa van J0740 vormen ook problemen voor sommige minder samendrukbare modellen die alleen neutronen en protonen bevatten."

Recente theoretische modellen stellen enkele alternatieven voor, zoals binnenkernen die een mix van neutronen bevatten, protonen, en exotische materie gemaakt van quarks of nieuwe combinaties van quarks. Maar alle mogelijkheden zullen opnieuw moeten worden geëvalueerd in de context van deze nieuwe informatie van NICER.

"De grootte van de J0740 heeft ons theoretici verbijsterd en opgewonden, " zei Sanjay Reddy, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Washington die materie bestudeert onder extreme omstandigheden, maar niet betrokken was bij de bevinding. "NICER's metingen, gecombineerd met andere multimessenger-waarnemingen, lijken het idee te ondersteunen dat de druk in massieve neutronensterkernen snel toeneemt. Hoewel dit ongunstig is voor overgangen naar meer samendrukbare vormen van materie in de kern, de implicaties ervan moeten nog volledig worden begrepen."

Het team van Miller heeft ook bepaald hoe goed wetenschappers de grootte van een pulsar kunnen inschatten, NICER's J0740- en J0030-metingen gebruiken om bestaande informatie van andere zware pulsars en zwaartekrachtsgolfgebeurtenissen aan te vullen, ruimte-tijd rimpelingen gegenereerd door de botsingen van massieve objecten zoals neutronensterren en zwarte gaten.

"We kennen nu de straal van een standaard neutronenster, met 1,4 keer de massa van de zon, binnen een onzekerheid van 5%, " zei Miller. "Dat is alsof je de grootte van Washington kent, gelijkstroom, binnen een straal van ongeveer een kwart mijl. NICER herschrijft niet alleen de leerboeken over neutronensterren, maar ook een revolutie teweegbrengen in ons vertrouwen in onze metingen van objecten die zowel erg ver weg als erg klein zijn."

Naast het testen van de limieten van de materie, neutronensterren bieden ook een nieuwe manier om de uitgestrekte ruimte te verkennen. in 2018, een team van wetenschappers en NASA-ingenieurs gebruikte NICER om te demonstreren, Voor de eerste keer, volledig autonome navigatie in de ruimte met behulp van pulsars, die een revolutie teweeg zou kunnen brengen in ons vermogen om robotruimtevaartuigen naar de verre uithoeken van het zonnestelsel en daarbuiten te sturen.

"NICER was een geweldige bemanningslid, " zei NASA-astronaut Christina Koch, die van maart 2019 tot februari 2020 als boordwerktuigkundige op het ruimtestation heeft gediend, het record voor de langste enkele ruimtevlucht door een vrouw. "De missie is een voorbeeld van de beste aspecten van stationsonderzoek. Het is baanbrekende fundamentele wetenschap, ruimtewetenschap, en technologische innovatie, allemaal mogelijk gemaakt door de unieke omgeving en het platform van een laboratorium in een baan om de aarde."