Τα άστρα νετρονίων αποκαλύπτουν σιγά-σιγά τους πυρήνες τους στους ερευνητές

Ένας συνδυασμός θεωρητικών υπολογισμών και πληροφοριών από αστρονομικές παρατηρήσεις δείχνουν ότι τα μεγάλης μάζας άστρα νετρονίων περιέχουν πυρήνες γεμάτους με ελεύθερα κουάρκ.

Η κατάδυση στο εσωτερικό των άστρων νετρονίων θα οδηγήσει, όπως πιθανώς εύκολα μαντεύει κάποιος, στην εύρεση νετρονίων. Όμως φαίνεται ότι τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Όσο βαθύτερη η κατάδυση τόσο ασαφές και πυκνότερο γίνεται το εσωτερικό. Δεν υπάρχει έλλειψη θεωριών ως προς το τί μπορεί να αποτελεί το κέντρο αυτών των κοσμικών αντικειμένων. Μια υπόθεση είναι ότι πληρούνται με ελεύθερα κουάρκ, που δεν είναι περιορισμένα μέσα στα νετρόνια. Μια άλλη είναι ότι συγκροτούνται από υπερόνια, σωματίδια που περιέχουν τουλάχιστον ένα κουάρκ του «παράξενου» τύπου. Ακόμη, μια άλλη είναι ότι συνίστανται από μια εξωτική κατάσταση ύλης που αποκαλείται συμπύκνωμα καονίου.

Σε μελέτη που μόλις δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics, ένα κουιντέτο ερευνητών στο οποίο περιλαμβάνεται ο Aleksi Kurkela από το Τμήμα Θεωρίας του CERN παρέχει στοιχεία ότι τα μεγάλης μάζας άστρα νετρονίων μπορεί να περιέχουν πυρήνες που είναι γεμάτοι με ελεύθερα κουάρκ. Τέτοια ύλη κουάρκ μοιάζει με την πυκνή κατάσταση ελεύθερων κουάρκ και γλοιονίων που θεωρείται ότι έχει υπάρξει ελάχιστα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και μπορεί να αναπαραχθεί σε επιταχυντές σύγκρουσης σωματιδίων στη Γη, όπως ο LHC (Large Hadron Collider).

Για να φθάσουν σε αυτά τα στοιχεία, οι ερευνητές συνδύασαν πληροφορίες από αστρονομικές παρατηρήσεις των άστρων νετρονίων με θεωρητικούς υπολογισμούς. Ενώ οι αστρονομικές παρατηρήσεις παρέχουν ορισμένες πληροφορίες σχετικά με το εσωτερικό των άστρων, δεν αποκαλύπτουν την ακριβή τους σύσταση.

Οι θεωρητικοί υπολογισμοί ασχολήθηκαν με την περιγραφή της κατάστασης της ύλης μέσα σε ένα άστρο νετρονίων από όλο τον φλοιό μέχρι κάτω στο κέντρο του. Για να το κάνουν αυτό οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τις αποκαλούμενες εξισώσεις κατάστασης, οι οποίες συσχετίζουν την πίεση της κατάστασης της ύλης με την ενεργειακή πυκνότητα – το ποσό της ενέργειας που εγκιβωτίζεται σε ένα σύστημα ή περιοχή χώρου ανά μονάδα όγκου.

Η ομάδα στη συνέχεια χρησιμοποίησαν δυο τμήματα πληροφορίας από τα αστρονομικά δεδομένα σε αυτούς τους υπολογισμούς: την παρατήρηση ότι τα άστρα νετρονίων μπορεί να έχουν μάζες ισοδύναμες με δύο μάζες Ήλιου και τις πιθανές τιμές της ιδιότητας που καλείται παλιρροϊκή παραμόρφωση για ένα άστρο νετρονίου με μάζα περίπου 1,4 φορές της μάζας του Ήλιου. Η παλιρροϊκή παραμόρφωση περιγράφει την ακαμψία ενός άστρου σε απάντηση της πίεσης που προκαλείται από την βαρυτική έλξη ενός συνοδού άστρου και παράγονταν προηγουμένως από παρατηρήσεις των βαρυτικών κυμάτων (κυματισμοί στην υφή του χωρόχρονου) που εκπέμπονταν από τη συγχώνευση δυο άστρων νετρονίων.

Από το συνδυασμό θεωρίας και δεδομένων, οι ερευνητές βρήκαν ότι οι πυρήνες των άστρων νετρονίων με μάζα 1,4 φορές τη μάζα του Ήλιου θα είναι γεμάτοι με νετρόνια. Αντιθέτως, μεγαλύτερης μάζας άστρα μπορεί να περιέχουν μεγάλους πυρήνες με ύλη κουάρκ. Για παράδειγμα, ένα άστρο νετρονίων 2 ηλιακών μαζών με ακτίνα περίπου 12 km θα μπορούσε να έχει πυρήνα με ύλη κουάρκ με ακτίνα περίπου 6,5 km – πάνω από το μισό της ακτίνας του άστρου.

«Η ανάλυσή μας δεν αποκλείει τελείως την ύπαρξη άστρων μεγάλης μάζας με πυρήνες με νετρόνια όμως δείχνει ότι οι πυρήνες με ύλη κουάρκ δεν είναι μια εξωτική εναλλακτική», λέει ο Kurkela. «Ανυπομονούμε να ενσωματώσουμε νέα δεδομένων από άστρα νετρονίων στην ανάλυσή μας και να δούμε πώς αυτά θα επηρεάσουν αυτό το συμπέρασμα».

Πηγή: CERN

Περισσότερα στη δημοσίευση: Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars. Nature Physics.