Met behulp van een baanbrekende methode, onderzoekers van de Astronomy and Astrophysics Group van de UPC en het Canary Islands Institute of Astrophysics (IAC) hebben een neutronenster gevonden met een massa van ongeveer 2,3 zonsmassa - een van de meest massieve die ooit is gedetecteerd. Het onderzoek is op 23 mei gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift en opent een nieuwe weg van kennis op vele gebieden van astrofysica en kernfysica.

Neutronensterren (vaak pulsars genoemd) zijn stellaire overblijfselen die het einde van hun evolutionaire leven hebben bereikt:ze zijn het resultaat van de dood van een ster met een massa van tussen de 10 en 30 zons. Ondanks hun kleine formaat (ongeveer 20 kilometer in diameter), neutronensterren hebben meer massa dan de zon, dus ze zijn extreem dicht.

Onderzoekers van de Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) en het Instituut voor Astrofysica van de Canarische Eilanden (IAC) gebruikten een innovatieve methode om de massa te meten van een van de zwaarste neutronensterren die tot nu toe bekend zijn. Ontdekt in 2011 en genaamd PSR J2215+5135, met ongeveer 2,3 zonsmassa's is het een van de meest massieve van de meer dan 2, 000 neutronensterren tot nu toe bekend. Hoewel een in 2011 gepubliceerde studie bewijs leverde van een neutronenster met 2,4 zonsmassa's, de meest massieve neutronensterren die eerder een consensus onder wetenschappers hadden bereikt, gerapporteerd in 2010 en 2013, 2 zonsmassa's hebben.

De studie werd geleid door Manuel Linares, Marie-Curie-onderzoeker van de Astronomy and Astrophysics Group (GAA), gekoppeld aan de afdeling Natuurkunde van de UPC, in samenwerking met de astronomen Tariq Shahbaz en Jorge Casares van het IAC. De onderzoekers gebruikten gegevens van de Gran Telescopio Canarias (GTC), de grootste optische en infraroodtelescoop ter wereld, de William Herschel-telescoop (WHT), de Isaac Newton Telescope Group (ING) en de IAC-80-telescoop, in combinatie met dynamische modellen van dubbelsterren met bestraling. Een artikel over de resultaten van het onderzoek, getiteld "Tieren in de donkere kant:magnesiumlijnen vestigen een massieve neutronenster in PSR J2215+5135", werd gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .

Een baanbrekende meetmethode

Het team ontwikkelde een nauwkeuriger methode dan tot nu toe gebruikt om de massa van neutronensterren in compacte dubbelsterren te meten. PSR J2215+5135 maakt deel uit van een binair systeem, waarin twee sterren rond een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien:een "normale" ster (zoals de zon) "vergezelt" de neutronenster. De secundaire of begeleidende ster wordt sterk bestraald door de neutronenster.

Hoe massiever de neutronenster is, hoe sneller de begeleidende ster in zijn baan beweegt. De nieuwe methode gebruikt spectraallijnen van waterstof en magnesium om de snelheid te meten waarmee de begeleidende ster beweegt. Hierdoor kon het team onder leiding van Manuel Linares voor het eerst de snelheid meten van beide zijden van de begeleidende ster (de bestraalde zijde en de beschaduwde zijde), en om aan te tonen dat een neutronenster meer dan tweemaal de massa van de zon kan hebben.

Deze nieuwe methode kan ook worden toegepast op de rest van deze groeiende populatie neutronensterren:in de afgelopen 10 jaar de Fermi-LAT NASA-gammastraaltelescoop heeft tientallen pulsars onthuld die lijken op PSR J2215+5135. In principe, de methode kan ook worden gebruikt om de massa van zwarte gaten en witte dwergen te meten (overblijfselen van sterren die sterven met meer dan 30 of minder dan 10 zonsmassa's, respectievelijk) wanneer ze worden gevonden in vergelijkbare binaire systemen waarin bestraling belangrijk is.

Dichter dan een atoomkern

Het kunnen bepalen van de maximale massa van een neutronenster heeft zeer belangrijke gevolgen voor veel gebieden van de astrofysica, evenals voor kernfysica. De interacties tussen nucleonen (de neutronen en protonen die de kern van een atoom vormen) bij hoge dichtheden zijn een van de grote mysteries van de huidige natuurkunde. Neutronensterren zijn een natuurlijk laboratorium voor het bestuderen van de dichtste en meest exotische toestanden van materie die je je kunt voorstellen.

De resultaten van het project suggereren ook dat om het gewicht van 2,3 zonsmassa's te ondersteunen, de afstoting tussen deeltjes in de kern van de neutronenster moet voldoende sterk zijn. Dit zou erop wijzen dat het onwaarschijnlijk is dat we vrije quarks of andere exotische vormen van materie in het centrum van de neutronenster zullen vinden.