Ponowne ważenie ciężkiej gwiazdy neutronowej
Jak wygląda wnętrze gwiazdy neutronowej – niewiarygodnie gęstej pozostałości po wyewoluowanej gwieździe? Nowe obserwacje jednej z najbardziej masywnych gwiazd neutronowych dostarczają pewnych wskazówek.
Wizja artystyczna tego, jak impulsy emitowane przez pulsar PSR J0740+6620 wpływają na grawitację jego towarzysza – białego karła. Źródło: B. Saxton/NRAO/AUI/NSF.
Tajemnicze wnętrze
Mając masę wielu Słońc spakowaną do rozmiaru miasta, gwiazdy neutronowe stanowią jedne z najbardziej gęstych, egzotycznych środowisk we Wszechświecie. Nie możemy stworzyć takiego samego środowiska na Ziemi, więc polegamy na modelach teoretycznych – ograniczonych przez obserwacje – aby zrozumieć, jak materia zachowuje się w tych ekstremalnych warunkach.
Różne modele teoretyczne przewidują różne struktury wnętrza gwiazd neutronowych, z których każdy opisany jest przez równanie stanu. Z kolei, każde równanie stanu przewiduje inną masę maksymalną, jaką może osiągnąć gwiazda neutronowa, zanim przytłaczające działanie grawitacji spowoduje jej zapadnięcie się do czarnej dziury.
Najcięższe gwiazdy neutronowe, które zauważymy we Wszechświecie, mogą nam pomóc wyznaczyć górne granice i wykluczyć niektóre równania stanu, zawężając zakres modeli wnętrz gwiazd neutronowych, które są najbardziej prawdopodobne.
Problem? Zmierzenie dokładnej masy obiektów oddalonych o tysiące lat świetlnych jest trudne! Na szczęście Wszechświat od czasu do czasu oferuje sprytne sztuczki, które pozwalają to zrobić.
Opóźnienie od grawitacji
Niektóre silnie namagnesowane gwiazdy neutronowe, gdy wirują, emitują wiązki światła, które regularnie pulsują w poprzek naszej linii widzenia. Jeżeli te niewiarygodnie precyzyjne kosmiczne zegary – pulsary – mają towarzysza, i jeżeli widzimy ten układ podwójny krawędzią do góry, wtedy mamy wyjątkową okazję do pomiarów mas.
W takim układzie, zniekształcenie czasoprzestrzeni spowodowane grawitacją obiektu towarzyszącego może wpłynąć na sygnał pulsara, tak że impulsy docierają do Ziemi z nieco przesuniętymi czasami. Efekt ten, znany jako opóźnienie czasowe Shapiro, pozwala nam precyzyjnie zmierzyć masę towarzysza – co może być następnie wykorzystane wraz z orbitą układu podwójnego do ustalenia masy pulsara.
W najnowszym badaniu zespół naukowców pod kierownictwem Emmanuela Fonseca (Uniwersytet McGill, Kanada; Uniwersytet Zachodniej Wirginii) wykorzystał to podejście do nowych obserwacji PSR J0740+6620, aby wyznaczyć najściślejsze jak dotąd ograniczenie na jego masę – i jest to niezły orzech do zgryzienia.
Przechylanie szali
Fonseca i jego współpracownicy wykorzystali obserwacje ze 100-metrowego teleskopu Green Bank Telescope oraz kanadyjskiego teleskopu CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), aby dokładnie wymodelować opóźnienie Shapiro i zmierzyć własności PSR J0740+6620 oraz jego towarzysza, znacznie poprawiając wcześniejsze pomiary. Autorzy pokazują, że PSR J0740+6620 waży 2,01-2,15 masy Słońca – potwierdzając jego status najcięższej precyzyjnie zmierzonej gwiazdy neutronowej, jaka jest obecnie znana. Potwierdzają również, że ta gwiazda podwójna znajduje się w odległości ~3700 lat świetlnych, a jej towarzysz jest niezwykle zimnym białym karłem o masie zaledwie 0,25 masy Słońca.
Jeszcze bardziej precyzyjne ograniczenia – zarówno dla PSR J0740+6620, jak i innych gwiazd neutronowych o dużej masie – będą możliwe dzięki obserwacjom prowadzonym przy użyciu teleskopów nowej generacji. Każde ulepszenie przybliża nas nieco do zrozumienia zachowania materii w tych ekstremalnych obiektach.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
