Neutronensterren zijn de kleinste, dichtste sterren in het heelal, geboren uit de ineenstorting van de zwaartekracht van extreem zware sterren. Trouw aan hun naam, neutronensterren bestaan ​​bijna volledig uit neutronen - neutrale subatomaire deeltjes die zijn samengeperst tot een kleine, ongelooflijk dicht hemels pakket.

Een nieuwe studie in Natuur , mede geleid door MIT-onderzoekers, suggereert dat sommige eigenschappen van neutronensterren niet alleen kunnen worden beïnvloed door hun veelheid aan dicht opeengepakte neutronen, maar ook door een aanzienlijk kleinere fractie protonen - positief geladen deeltjes die slechts 5 procent van een neutronenster uitmaken.

In plaats van naar de sterren te staren, de onderzoekers kwamen tot hun conclusie door de microscopisch kleine kernen van atomen op aarde te analyseren.

De kern van een atoom zit vol met protonen en neutronen, hoewel niet zo dicht als in neutronensterren. Zo nu en dan, als ze dichtbij genoeg zijn, een proton en een neutron zullen paren en met ongewoon hoge energie door de atoomkern schieten. Dergelijke "correlaties op korte termijn, "zoals ze bekend zijn, kan aanzienlijk bijdragen aan de energiebalans en de algemene eigenschappen van een bepaalde atoomkern.

De onderzoekers zochten naar tekenen van proton- en neutronenparen in koolstofatomen, aluminium, ijzer, en leiden, elk met een steeds hogere verhouding van neutronen tot protonen. Ze vonden dat, naarmate het relatieve aantal neutronen in een atoom toenam, dat gold ook voor de kans dat een proton een energetisch paar zou vormen. De kans dat een neutron zou paren, echter, ongeveer hetzelfde gebleven. Deze trend suggereert dat, in objecten met een hoge dichtheid van neutronen, de minderheidsprotonen dragen een onevenredig groot deel van de gemiddelde energie.

"We denken dat als je een neutronenrijke kern hebt, gemiddeld, de protonen bewegen sneller dan de neutronen, dus in zekere zin protonen dragen de actie, " zegt co-auteur van de studie Or Hen, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "We kunnen ons alleen maar voorstellen wat er zou kunnen gebeuren in nog meer neutronendichte objecten zoals neutronensterren. Ook al zijn protonen de minderheid in de ster, wij denken dat de minderheid regeert. Protonen lijken erg actief te zijn, en we denken dat ze verschillende eigenschappen van de ster kunnen bepalen."

Gegevens doorzoeken

Hen en zijn collega's baseerden hun onderzoek op gegevens verzameld door CLAS - de CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) Large Acceptance Spectrometer, een deeltjesversneller en detector gebaseerd op Jefferson Laboratory in Virginia. KLAS, die actief was van 1998 tot 2012, is ontworpen om de meerdere deeltjes te detecteren en op te nemen die worden uitgezonden wanneer elektronenbundels op atomaire doelen botsen.

"Het hebben van deze eigenschap van een detector die alles ziet en ook alles bewaart voor offline analyse is uiterst zeldzaam, "Zegt Hen. "Het heeft zelfs behouden wat mensen als 'lawaai' beschouwden, ' en we leren nu dat het geluid van een persoon het signaal van een andere persoon is."

Het team koos ervoor om de gearchiveerde gegevens van CLAF te ontginnen op tekenen van correlaties op korte afstand - interacties die de detector niet noodzakelijkerwijs had moeten produceren, maar dat het toch gevangen is.

"Mensen gebruikten de detector om naar specifieke interacties te kijken, maar ondertussen, het mat ook parallel een aantal andere reacties die plaatsvonden, " zegt medewerker Larry Weinstein, een professor in de natuurkunde aan de Old Dominion University. "Dus we dachten, 'Laten we in deze gegevens duiken en kijken of er iets interessants tussen zit.' We willen zoveel mogelijk wetenschap persen uit experimenten die al zijn uitgevoerd."

Een volle danskaart

Het team koos ervoor om de in 2004 verzamelde CLAS-gegevens te ontginnen, tijdens een experiment waarbij de detector elektronenbundels op koolstof richtte, aluminium, ijzer, en loodatomen, met als doel te observeren hoe deeltjes geproduceerd in nucleaire interacties door het respectievelijk grotere volume van elk atoom reizen. Samen met hun verschillende maten, elk van de vier soorten atomen hebben verschillende verhoudingen van neutronen tot protonen in hun kernen, waarbij koolstof de minste neutronen heeft en lood de meeste.

De heranalyse van de gegevens werd gedaan door afgestudeerde student Meytal Duer van de Universiteit van Tel Aviv in samenwerking met MIT en Old Dominion University, en werd geleid door Hen. De algemene studie werd uitgevoerd door een internationaal consortium genaamd de CLAS Collaboration, bestaande uit 182 leden van 42 instellingen in 9 landen.

De groep bestudeerde de gegevens op tekenen van hoogenergetische protonen en neutronen - aanwijzingen dat de deeltjes gepaard waren gegaan - en of de kans op deze koppeling veranderde naarmate de verhouding van neutronen tot protonen toenam.

"We wilden beginnen met een symmetrische kern en zien, als we meer neutronen toevoegen, hoe de dingen evolueren, " Zegt Hen. "We zouden nooit de symmetrieën van neutronensterren hier op aarde bereiken, maar we konden in ieder geval een trend zien en daaruit begrijpen, wat zou er aan de hand kunnen zijn in de ster."

Uiteindelijk, het team merkte op dat naarmate het aantal neutronen in de atoomkern toenam, de kans dat protonen hoge energieën hebben (en gepaard gaan met een neutron) nam ook aanzienlijk toe, terwijl dezelfde waarschijnlijkheid voor neutronen hetzelfde bleef.

"De analogie die we graag geven, is dat het is alsof je naar een dansfeest gaat, "Hen zegt, een scenario oproepen waarin jongens die met meisjes op de dansvloer zouden kunnen paren, enorm in de minderheid zijn. "Wat er zou gebeuren is, de gemiddelde jongen zou ... veel meer dansen, dus ook al waren ze een minderheid in de partij, de jongens, zoals de protonen, zeer actief zou zijn."

Hen zegt dat deze trend van energetische protonen in neutronenrijke atomen zich kan uitstrekken tot nog meer neutronendichte objecten. zoals neutronensterren. De rol van protonen in deze extreme objecten kan dan belangrijker zijn dan mensen eerder vermoedden. Deze openbaring, Hen zegt, kan het begrip van wetenschappers over hoe neutronensterren zich gedragen, opschudden. Bijvoorbeeld, aangezien protonen aanzienlijk meer energie kunnen dragen dan eerder werd gedacht, ze kunnen bijdragen aan eigenschappen van een neutronenster zoals zijn stijfheid, de verhouding van massa tot grootte, en het proces van afkoeling.

"Al deze eigenschappen beïnvloeden vervolgens hoe twee neutronensterren samensmelten, waarvan we denken dat het een van de belangrijkste processen in het universum is die kernen creëren die zwaarder zijn dan ijzer, zoals goud, ', zegt Hen. 'Nu we weten dat de kleine fractie protonen in de ster zeer sterk gecorreleerd is, we zullen moeten heroverwegen hoe [neutronensterren] zich gedragen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.