Een onderzoek onder leiding van prof. Fan Yizhong van het Purple Mountain Observatory van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft aanzienlijke precisie bereikt bij het bepalen van de bovenste massalimiet voor niet-roterende neutronensterren, een cruciaal aspect in de studie van kernfysica en astrofysica. P>

De onderzoekers toonden aan dat de maximale zwaartekrachtmassa van een niet-roterende neutronenster ongeveer 2,25 zonsmassa bedraagt, met een onzekerheid van slechts 0,07 zonsmassa. Hun onderzoek is gepubliceerd in Physical Review D .

Het uiteindelijke lot van een massieve ster is nauw verbonden met zijn massa. Sterren lichter dan acht zonsmassa's eindigen hun levenscyclus als witte dwergen, ondersteund door de druk van elektronendegeneratie met een bekende bovenmassalimiet, de Chandrasekhar-limiet, van bijna 1,4 zonsmassa's.

Voor sterren zwaarder dan acht maar lichter dan 25 zonsmassa's zullen neutronensterren worden geproduceerd, die in plaats daarvan voornamelijk in stand worden gehouden door de degeneratiedruk van neutronen. Voor niet-roterende neutronensterren is er ook een kritische zwaartekrachtmassa (d.w.z. M_TOV ) bekend als de Oppenheimer-limiet, waarboven de neutronenster zal instorten tot een zwart gat.

Het vaststellen van een precieze Oppenheimer-limiet is een behoorlijke uitdaging. Op basis van het eerste principe kunnen alleen losse grenzen worden gesteld. Veel specifieke evaluaties zijn sterk modelafhankelijk. De resulterende M_TOV zijn divers en de onzekerheden zijn groot.

Het team van prof. Fan heeft de gevolgtrekking van M_TOV verfijnd door robuuste multi-messenger-observaties en betrouwbare kernfysische gegevens op te nemen, waardoor de onzekerheden in eerdere modellen worden omzeild. Dit omvat onder meer het benutten van recente ontwikkelingen op het gebied van massa-/radiusmetingen van LIGO/Virgo-zwaartekrachtgolfdetectoren en de Neutronenster Interior Composition Explorer (NICER).

Ze integreerden met name de informatie over de maximale massaafsnijding afgeleid uit de massaverdeling van de neutronensterren en verkleinden de parameterruimte aanzienlijk, wat leidde tot een ongekende precisie in de afgeleide M_TOV . Er werden drie verschillende reconstructiemodellen voor toestandsvergelijkingen (EoS) gebruikt om potentiële systematische fouten te beperken, wat vrijwel identieke resultaten opleverde voor M_TOV en de overeenkomstige straal, die 11,9 km bedraagt ​​met een onzekerheid van 0,6 km in drie onafhankelijke EoS-reconstructiebenaderingen.

De nauwkeurige evaluatie van M_TOV heeft diepgaande gevolgen voor zowel de kernfysica als de astrofysica. Het duidt op een matig stijve EoS voor materie van neutronensterren en suggereert dat de compacte objecten met massa's in het bereik van ongeveer 2,5 tot 3,0 zonsmassa's, gedetecteerd door LIGO/Virgo, waarschijnlijk de lichtste zwarte gaten zijn. Bovendien zouden de samensmeltingsresten van binaire neutronenstersystemen met een totale massa van ongeveer 2,76 zonsmassa instorten tot zwarte gaten, terwijl lichtere systemen zouden resulteren in de vorming van (supramassieve) neutronensterren.

Meer informatie: Yi-Zhong Fan et al., Maximale zwaartekrachtmassa MTOV=2,25−0,07+0,08M⊙ afgeleid met een nauwkeurigheid van ongeveer 3% met multimessengergegevens van neutronensterren, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.043052. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.12644

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling D , arXiv

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen