Πόση μάζα μπορεί να έχει ένα άστρο νετρονίων; Οι αστροφυσικοί θέτουν ένα νέο όριο για τη μέγιστη τιμή της μάζας του

Από την ανακάλυψή τους τη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες αναζητούν να απαντήσουν ένα σημαντικό ερώτημα: Πόσης μάζας μπορούν να γίνουν στην πραγματικότητα τα άστρα νετρονίων; Εν αντιθέσει με τις μαύρες τρύπες, τα άστρα αυτά δεν μπορούν αυθαίρετα να κερδίζουν μάζα, μετά από ένα ορισμένο όριο δεν υπάρχει φυσική δύναμη στη φύση που μπορεί να αντισταθμίσει την τεράστια βαρυτική τους δύναμη. Για πρώτη φορά, αστροφυσικοί στο Πανεπιστήμιο Goethe στη Φρανκφούρτη έχουν πετύχει να υπολογίσουν ένα αυστηρό άνω όριο για τη μέγιστη μάζα του άστρου νετρονίων.

Με μια ακτίνα περίπου 12 χιλιομέτρων και μάζα που μπορεί να είναι διπλάσια από αυτή του Ήλιου, τα άστρα νετρονίων είναι μεταξύ των πυκνότερων αντικειμένων στο σύμπαν, δημιουργώντας βαρυτικά πεδία συγκρίσιμα με αυτά των μελανών οπών. Μολονότι τα περισσότερα άστρα νετρονίων έχουν μάζα περίπου 1,4 φορές με αυτή του Ήλιου, είναι επίσης γνωστά κα παραδείγματα με μεγαλύτερη μάζα, όπως το πάλσαρ PSR J0348+0432 με 2,01 ηλιακές μάζες. Η πυκνότητα αυτών των άστρων είναι τεράστια, σαν ολόκληρα τα Ιμαλάϊα να συμπιέστηκαν σε ένα ποτήρι μπύρας. Ωστόσο, υπάρχουν ενδείξεις ότι ένα άστρο νετρονίων με μέγιστη μάζα θα καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα εάν ακόμη και ένα μόλις νετρόνιο προστεθεί.

Μαζί με τους φοιτητές τους Elias Most και Lukas Weih, ο Καθηγητής Luciano Rezzolla, φυσικός στο Ινστιτούτο Προχωρημένων Σπουδών στη Φρανκφούρτη (FIAS) και καθηγητής Θεωρητικής Αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο Goethe στη Φρανκφούρτη, τώρα έχουν λύσει το πρόβλημα που παρέμενε αναπάντητο για 40 χρόνια: Με ακρίβεια η μέγιστη μάζα των μη περιστρεφόμενων άστρων νετρονίων δεν μπορεί να ξεπερνά τις 2,16 ηλιακές μάζες.

Εκπομπή βαρυτικών κυμάτων από ένα καταρρέον άστρο

Η βάση των αποτελεσμάτων αυτών ήταν η προσέγγιση «καθολικών σχέσεων» που αναπτύχθηκε στην Φρανκφούρτη πριν από λίγα χρόνια (δελτίο τύπου). Η ύπαρξη των «καθολικών σχέσεων» υπονοεί ότι πρακτικά όλα τα άστρα νετρονίων «μοιάζουν», που σημαίνει ότι οι ιδιότητές τους μπορούν να εκφράζονται σε όρους αδιάστατων ποσοτήτων. Οι ερευνητές συνδύασαν αυτές τις «καθολικές σχέσεις» με δεδομένα των σημάτων των βαρυτικών κυμάτων και με τη μεταγενέστερη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (kilonova) που καταγράφηκε κατά τη διάρκεια της παρατήρησης, την περασμένη χρονιά, της συγχώνευσης των δυο άστρων νετρονίων στο πλαίσιο του πειράματος του LIGO. Αυτό απλουστεύει τους υπολογισμούς τρομερά επειδή τα καθιστά ανεξάρτητα από την εξίσωση κατάστασης. Η εξίσωση αυτή είναι ένα θεωρητικό μοντέλο για την περιγραφή πυκνής ύλης μέσα σε ένα άστρο, που παρέχει πληροφορίες για τη σύνθεσή του σε διάφορα βάθη στο εσωτερικό του. Μια τέτοια καθολική σχέση επομένως έπαιξε ουσιαστικό ρόλο στον προσδιορισμό της νέας μέγιστης μάζας.

Το αποτέλεσμα είναι ένα καλό παράδειγμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ θεωρητικής και πειραματικής έρευνας. «Η ομορφιά της θεωρητικής έρευνας είναι ότι κάνει προβλέψεις. Η θεωρία, ωστόσο, απεγνωσμένα χρειάζεται πειράματα για να περιορίσει ορισμένες από τις αβεβαιότητές της», αναφέρει ο καθηγητής Rezzolla. «Είναι συνεπώς αρκετά αξιοσημείωτο ότι η παρατήρηση της συγχώνευσης ενός ζεύγους άστρων νετρονίων που συνέβη εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, συνδυάστηκε με τις καθολικές σχέσεις που ανακαλύφθηκαν μέσω της θεωρητικής εργασίας και μας επέτρεψαν να λύσουμε έναν γρίφο για τον οποίο έχουν εμφανιστεί τόσες πολλές εικασίες στο παρελθόν».

Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο Astrophysical Journal Letters. Λίγες μόλις ημέρες αργότερα, ομάδες έρευνας από τις ΗΠΑ και την Ιαπωνία επιβεβαίωσαν τα ευρήματα, παρόλο που μέχρι σήμερα έχουν ακολουθήσει διαφορετικές και ανεξάρτητες προσεγγίσεις. Η αστρονομία βαρυτικών κυμάτων αναμένεται να παρατηρήσει περισσότερα τέτοια γεγονότα στο άμεσο μέλλον, τόσο σε σήματα βαρυτικών κυμάτων όσο και σε πιο παραδοσιακές περιοχές συχνότητας. Αυτό θα μειώσει περαιτέρω τις αβεβαιότητες σχετικά με τη μέγιστη μάζα και θα οδηγήσει σε μια καλύτερη κατανόηση της ύλης σε εξαιρετικά ακραίες συνθήκες, κάτι που θα προσομοιωθεί στους σύγχρονους επιταχυντές σωματιδίων.

Πηγή: Goethe-Universität Frankfurt am Main

Περισσότερα στη δημοσίευση: Using Gravitational-wave Observations and Quasi-universal Relations to Constrain the Maximum Mass of Neutron Stars. The Astrophysical Journal Letters.